KOMPENDIUM POWER DESIGN & STROMVERSORGUNGEN
Wissen.
Impulse.
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September 2016
www.elektronikpraxis.de
Innovationsfeld Elektromobilität einmal anders
Die Rennstrecke als Versuchslabor für elektronische Komponenten –
die Formel E macht's möglich.
Lebensdauer von
Stromversorgungen
Energie aus der
Umwelt nutzen
So finden Sie das
optimale Netzteil
Blitzschutz für
PV-Anlagen
Wie langlebig ist eine
Stromversorgung? Die
Antwort auf diese Frage ist
nicht so einfach.
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Energie ist überall, wir
müssen sie nur ernten –
Energy Harvesting macht's
möglich.
Seite 18
Bei der Auswahl eines
Netzteils sollte man einen
geeigneten Lieferanten
wählen.
Seite 52
Was beim Schutz von Photo­
voltaik­Anlagen gegen Blitz
und Überspannungen zu
beachten ist.
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ENT WICKLUNG & AUSWAHL VON STROMVERSORGUNGEN
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Auswahl und Integration optimieren.
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ENT WICKLUNG & AUSWAHL
VON STROMVERSORGUNGEN
EDITORIAL
Qi sorgt immer öfter für eine
ausgeglichene Energiebilanz
HIGHLIGHTVORTRÄGE
Q
„Der Markt für draht­
lose Energieübertragung
boomt, es gibt immer
mehr Lademöglichkeiten
und neue Anwendungen“
a Dos und Don’ts beim
Schaltnetzteil-Design
11226
i steht im asiatischen Kulturkreis
für alles durchdringende Energie.
Und so denkt man bei Qi unwillkürlich an Tai Qi und Qi Gong, die für einen ausgeglichenen Qi-Haushalt sorgen
und quasi den inneren Akku des Menschen wieder aufladen.
Die 150 Qi-Anhänger, die sich Ende August in München trafen, sahen das Thema
weniger esoterisch, wenngleich auch
nach deren Verständnis Qi für volle Akkus
sorgt. Die Rede ist vom europäischen Treffen des Wireless Power Consortiums, das
den Standard Qi für drahtlose Energieübertragung schuf.
Im Jahr 2011 kam das erste Smartphone
auf den Markt, das sich dank Qi induktiv
laden ließ und heute gibt es mehr als 1000
Qi-kompatible Produkte.
Wurden 2014 „nur“ 55 Millionen Geräte
verkauft, die sich via Qi mit Energie versorgen ließen, werden es 2016 schon über
200 Millionen sein und Marktexperten
erwarten, dass 2020 die Milliardengrenze
durchstoßen und der Markt bis 2025 auf
2,5 Milliarden anwachsen wird.
Der Markt mit Qi-Empfängern boomt,
da das Angebot an Lademöglichkeiten
wächst. So gibt es immer mehr öffentliche
Ladepunkte in Restaurants, Hotels und
a Kondensatorauswahl und
-belastung entscheiden
über Zuverlässigkeit und
Lebensdauer von SNTs
a Wie Sie schnell und
sicher zum optimalen
Schaltnetzteil kommen
a Mysterium Datenblatt:
richtige Auswahl
und Anwendung von
DC/DC-Wandlern
Thomas Kuther, Redakteur
[email protected]
Flughäfen, IKEA bietet Möbel mit Qi-Lader an und die Zahl der Lademöglichkeiten zuhause, im Büro und in immer mehr
Automodellen wächst weiter.
Zudem erschließen höhere übertragbare Leistungen neue Anwendungen. Anfangs waren es 5 Watt – genug für ein
Smartphone. Heute können 15 Watt übertragen werden, was ein deutlich schnelleres Laden ermöglicht. Der nächste
Schritt sind 60-Watt-Lader, die sich unter
anderem auch zur Versorgung von elektrischen Power-Tools wie Akkuschraubern oder Kettensägen eignen. Auch Systeme, die mehr als 2000 Watt übertragen,
sind bereits in der Entwicklung, was völlig neue Anwendungen in der Industrie
oder der Küche ermöglicht. So könnten
auch leistungsstarke Industrieroboter
und Küchenmaschinen ohne störende
Leitungen betrieben werden.
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Herzlichst, Ihr
ELEKTRONIKPRAXIS Kompendium Power Design & Stromversorgungen September 2016
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INHALT
BEDEUTUNG DER FORMEL E
Innovationsfeld Elektromobilität einmal anders
Seit über 40 Jahren unterstützt das Unternehmen
Würth den Motorsport. Dabei stehen nicht nur
Werbeaspekte im Vordergrund – der Hersteller
nutzt den Motorsport als besonders anspruchsvolles Versuchsfeld für technologische Entwicklungen. Das gilt auch für die Formel E – die neue
Rennserie für Elektroboliden und moderne FIASchwester der klassischen Formel 1. Das Versuchslabor „Rennstrecke“ in der Formel E vereint viele
Herausforderungen. Extreme Beschleunigungskräfte, brennende Hitze oder tropischer Regen sind
weitere Herausforderungen für Fahrer und Technik.
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SCHWERPUNKTE
24 Bleibatterien halten Windräder auf Kurs
Für einen problemlosen Betrieb von Windkraftanlagen
auch im Störungsfall sorgen Sicherheitsvorkehrungen wie
ein System, das die Rotorblätter optimal ausrichtet.
TITELTHEMA
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Formel E – Innovationsfeld Elektromobilität
Seit über 40 Jahren unterstützt Würth den Motorsport. Dabei nutzt der Hersteller den Motorsport auch als anspruchsvolles Versuchsfeld. Das gilt auch für die Formel E – die
neue Rennserie für Elektroboliden.
Bipolare Spannungen störungsarm erzeugen
Alle unterschiedlichen Möglichkeiten, positive und negative Versorgungsspannungen zu erzeugen, haben Vor- und
Nachteile. Neue Schaltregler-ICs bieten hier effiziente und
störungsarme Alternativen.
Lebensdauer von Stromversorgungen
Wie langlebig ist eine Stromversorgung im Endgerät? Die
Antwort auf diese Frage findet sich nicht einfach als Zahlenwert in den Spezifikationen der Hersteller.
Energie aus der Umwelt nutzen
Energie ist überall, wir müssen sie nur ernten. Worauf es
dabei konkret ankommt, erklärt Tony Armstrong, Director
Product Marketing Power Products bei Linear Technology
Corporation.
22 Chip ersetzt konventionelle Stromversorgung
Die Schwachstelle bei der Beleuchtung mit LEDs ist die
Treiberschaltung. Wir sprachen mit Wolfgang Endrich,
Geschäftsführer von euroLighting, über die Vorteile von
treiberlosen LED-Leuchten.
4
26 Eine Aussage über die Qualität der Stromversorgung
Mit Oszilloskop und Tastkopf lassen sich Stromversorgungen auch unter Spannung messen und eine Aussage über
eine saubere Versorgungsspannung machen.
30 Schalten bei Nullspannung
Wenn eine Busspannung von 48 V auf wenige Volt heruntergesetzt werden soll, sind mit herkömmlichen Wandlern
mehrere Stufen nötig.
34 Kapazitive Stromversorgungen
Kapazitive Stromversorgungen eignen sich vor allem für
Anwendungen kleiner Leistung. TDK bietet für diese Designs nahezu alle notwendigen passiven Bauelemente.
38 Stromversorgung rechtzeitig einplanen
Der Weg von der Idee bis hin zum marktreifen Produkt ist
anspruchsvoll und oft stellt sich die Frage nach einer geeigneten Stromversorgung eigentlich zu spät.
42 Stromversorgungen mit SIP-Power-Modulen
SiP-Module der Himalaya-Familie für verschiedene Ströme
und Spannungen sind pinkompatibel und ermöglichen
hohe Design-Flexibilität und einfache Migration.
46 Offline-Flyback-Wandler mit 90% Wirkungsgrad
Zwei optimierte Schaltregler-IC-Serien verbessern die Ladezeit mobiler Systeme und machen Hilfs- sowie StandbyStromversorgungen für beispielsweise Haus- und Konsumgeräte effizienter.
ELEKTRONIKPRAXIS Kompendium Power Design & Stromversorgungen September 2016
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Bipolare Spannungen
störungsarm erzeugt
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Bleibatterien halten
Windräder auf Kurs
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Die Stromversorgung
rechtzeitig mit einplanen
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Buck-Wandler für intelligente Feldsensoren
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Pausenle
48 Buck-Wandler für Feldsensor-Applikationen
Intelligente Feldsensor-Applikationen stellen hohe Anforderungen an die Stromversorgung, da die Signale möglichst
ungestört übertragen werden müssen.
52 Schnell und sicher zum optimalen Netzteil
Bei der Auswahl eines Netzteils für Ihre Entwicklung sollten Sie auf einen geeigneten Lieferanten setzen.
54 Das Design eines Akku charakterisieren
Netzteile arbeiten unauffällig, sind aber unverzichtbar. Bei
der Auswahl eines Netzteils für Ihre Entwicklung sollten Sie
auf einen geeigneten Lieferanten setzen.
56 PV-Anlagen vor Blitz und Überspannungen schützen
In Reihe geschaltete PV-Module sind wirtschaftlich, aber
die Überspannungsschutzsysteme in der Anlage müssen
für die höhere Spannung ausgelegt sein.
RUBRIKEN
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Editorial
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Impressum
Alle Ausgaben im Heftarchiv unter
www.elektronikpraxis.de/heftarchiv
Power-Kongress
25.- 26.10. 2016, Würzburg
Der Power-Kongress befasst sich
mit Design und Auswahl von Stromversorgungen und bietet eine
Fachausstellung mit neuesten Power-Komponenten & -Lösungen.
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ELEKTROMOBILITÄT // KOMPONENTEN
TITELSTORY
Das Versuchslabor „Rennstrecke“ in
der Formel E vereint viele Herausforderungen. So trägt die Formel E ihre
Rennen nicht auf speziellen Rennstrecken, sondern auf Stadtkursen in
Metropolen auf nahezu allen Kontinenten aus. Das bedeutet teils wenig
optimale Straßenbelagsverhältnisse,
Randsteine und Unebenheiten, die
die Elektrorennwagen bei Geschwindigkeiten von über 200 km/h zum
Springen bringen. Extreme Beschleunigungskräfte, brennende Hitze
oder tropischer Regen sind weitere
Herausforderungen für Fahrer und
Technik. Würth Elektronik eiSos beschäftigt sich seit geraumer Zeit mit
der E-Mobilität und hat hier Entwicklungsressourcen konzentriert.
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ELEKTRONIKPRAXIS Kompendium Power Design & Stromversorgungen September 2016
ELEKTROMOBILITÄT // KOMPONENTEN
Formel E – Innovationsfeld
Elektromobilität einmal anders
Seit über 40 Jahren unterstützt Würth den Motorsport. Dabei nutzt der
Hersteller den Motorsport auch als anspruchsvolles Versuchsfeld. Das
gilt auch für die Formel E – die neue Rennserie für Elektroboliden.
OLIVER OPITZ *
M
itten in Berlin, London, Moskau,
Peking und auf weiteren Großstadtkursen in aller Welt rasen seit
September 2014 die elektrisch betriebenen
Rennwagen der Formel E. Auf den Wagen des
erfolgreichen Teams ABT Schaeffler Audi
Sport leuchtet das Logo der Würth Elektronik
eiSos. Die Botschaft: Würth Elektronik eiSos
ist schnell, weltweit präsent und unterstützt
die Zukunftstechnologie der E-Mobility.
* Oliver Opitz
... ist Division Manager Strategische
Produktentwicklung bei der Würth
Elektronik eiSos GmbH & Co. KG.
Weil der Einsatz im Rennwagen zudem als
Härtetest für die Elektronik gilt, wird das
Engagement für die Formel E den Entwicklern der Würth Elektronik eiSos wertvollen
Input für die Entwicklung elektronischer
Bauelemente liefern – zum Beispiel in den
Bereichen Wärmemanagement und Energieeffizienz.
Der Hersteller für elektronische Komponenten beschäftigt sich seit geraumer Zeit
mit dem Innovationsfeld E-Mobilität und hat
hier Entwicklungsressourcen gezielt konzentriert. Der breite Markt ist aber allgemein erst
in der Entstehung und die Formel E kann hier
als Feldversuch für die praktische Anwendung moderner E-Mobilität dienen.
ELEKTRONIKPRAXIS Kompendium Power Design & Stromversorgungen September 2016
In den ersten Jahren fuhren alle Teams der
Formel E mit einem „Einheitsauto“. Mit Beginn der Formel-E-Saison 2015/2016 sind den
Rennställen und beteiligten Unternehmen
erste Entwicklungen – unter anderem – im
Bereich des Antriebsstrangs erlaubt. Dies hat
es Würth Elektronik eiSos gestattet, seine
Partner aktiv mit Komponenten und Anwendungswissen in diesem Umfeld zu unterstützen. Induktivitäten für das wichtige Power
Management oder zur Entstörung, Steckverbinder in Kommunikation, Signalübertragung oder Leistungsverteilung: Der Einsatz
von passiven und elektromechanischen Bauteilen von Würth Elektronik eiSos hat das
Ziel, die Effizienz auf das oberste Treppchen
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ELEKTROMOBILITÄT // KOMPONENTEN
Breites Angebot an Komponenten und Services: die Würth Elektronik eiSos
zu heben. Der Wettbewerb und die Arbeit in
der Rennserie wirken dabei sehr anregend
und so kooperiert Würth Elektronik eiSos
weltweit mit verschiedenen Universitäten,
um neue Entwicklungen voranzutreiben.
Leitbild E-Mobilität geht über
das reine Fahrzeug hinaus
Oliver Opitz, Division Manager Strategische Produktentwicklung bei Würth Elektronik eiSos erläutert: „E-Mobilität ist für uns
das Leitbild, das über das reine Kraftfahrzeug hinausgeht. Wir vereinen in diesem
Bereich verschiedene Innovationsfelder.
Dazu gehören Komponenten, Konnektivität
– sowohl drahtgebunden als auch drahtlos,
Energiespeicher, Sensorik, Ladeinfrastruk-
turen und Ladetechnologien, ja sogar die
Transporttechnik in der Lean Factory. Alles,
was sich mit dem Antrieb oder Vortrieb durch
einen Elektromotor realisieren und vereinfachen lässt, gehört für uns in den Bereich EMobilität. Wir sind überzeugt: Engagierte
Hersteller dieses Industriezweigs haben von
Anfang an einen Zugewinn.“
Dabei konzentrieren sich die Bauteilspezialisten auf verschiedene Systeme. Dazu
gehören unter anderem der Inverter und die
Bordspannungsversorgung. Oliver Opitz erklärt: „Bewusst reden wir von Fokussystemen, nicht von Fokusprodukten. Von uns als
Serviceführer wird erwartet, dass wir die
neuesten und innovativsten Systeme, Anwendungen und Technologien bis ins kleins-
„Elektromobilität ist für uns das Leitbild, das über das
reine Kraftfahrzeug hinausgeht. Wir vereinen in diesem
Bereich verschiedene Innovationsfelder. “
Oliver Opitz, Würth Elektronik eiSos
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te Detail kennen. Durch dieses geballte
Knowhow untermauern wir unsere Kompetenz in der E-Mobilität. Kürzlich konnten wir
mit einem strategischen Zukauf, der Integration der Amber Wireless GmbH, diese Entwicklung noch schneller nach vorne treiben.
Unser Anspruch ist es, alle Kunden zu jeglichen Anwendungen rundum zu beraten. Dies
führt zur optimalen und strukturierten Auswahl der richtigen Bauteile bei unserem Kunden vor Ort.“
Gesamtsystem Rennauto im
Fokus der Innnovationsbrille
Dieser Systemansatz zeigt sich auch in der
Beratung des Formel-E-Teams. Das Rennfahrzeug birgt nur wenige Ansätze zur Entwicklung einzelner Komponenten. Vielmehr
muss stets das Gesamtsystem Rennauto im
Fokus der Innnovationsbrille stehen, nur so
lassen sich Systeme optimieren, die Performance verbessern und Siege einfahren.
In Zeiten immer strengerer Regularien bei
der Emission von umweltschädlichen Gasen
im Verbrennungsmotorbereich erlebt das
ELEKTRONIKPRAXIS Kompendium Power Design & Stromversorgungen September 2016
ELEKTROMOBILITÄT // KOMPONENTEN
Thema E-Mobilität eine Hochkonjunktur.
Auch E-Motoren belasten die Umwelt mit
CO2-Emissionen, wenn auch nur mittelbar
durch ihre Herstellung und Stromgewinnung. Aber: Ergebnisse einer Studie der Universität Stuttgart zeigen, dass sich dieser
Ausstoß im Vergleich zu einem Verbrennungsmotor auf unter 50% verringern lässt
und dies bei einer Verdreifachung der Effizienz. In der Entwicklung der E-Mobilität gilt
es nun, mit verbesserten Komponenten und
optimalen Systemdesigns den thermischen
Wirkungsgrad zu verbessern. Damit lässt
sich beispielsweise entweder die Größe des
Gesamtsystems reduzieren oder der Wirkungsgrad erhöhen.
Ressourcen- und umweltschonende Produktion
ABT Schaeffler Audi Sport
Formula E Team will WM-Titel
Um all diese Lernkurven schneller durchlaufen zu können, hat sich Würth Elektronik
eiSos von Beginn an in der Formel E engagiert. Was Anfang 2014 durch die Partnerschaft mit der Familie Abt begann, soll sportlich in einem WM-Titel mit dem ABT Schaeffler Audi Sport Formula E Team enden. Die
Kunden und Partner des Unternehmens aber
werden den direkten Vorteil haben, dass
durch dieses Engagement Produkte entstehen, die dem neuesten Stand der Technik
entsprechen und teilweise unter extremen
Bedingungen getestet wurden. Mit der neuen
Saison 2016/2017 – das erste Rennen startet
am 9. Oktober in Hongkong – werden Bauteile von Würth Elektronik eiSos einen nicht
zu unterschätzenden Beitrag im Technologiewandel liefern und in Anwendungen wie
Ladegeräten, Invertern und Spannungsversorgungen, aber auch zur Entstörung der
E-Motoren Anwendung finden.
// TK
Würth Elektronik eiSos
Bilder: Würth Elektronik eiSos
Wichtiger Aspekt in der nächsten Generation der Mobilität ist die ressourcen- und
umweltschonende Produktion. Das beginnt
beim Rohmaterial und zieht sich durch bis
zum späteren Recycling. Auch hier hat Würth
Elektronik eiSos früh Maßstäbe gesetzt und
sich selbst dazu verpflichtet, alle Komponenten nach den Richtlinien für RoHS und
REACh zu produzieren. Jegliche Rohmaterialien müssen mit dem strengen Katalog sowohl der halogenfreien als auch der Conflictfree-Materialien verglichen, und wenn not-
wendig, ersetzt werden. Auch diese teils
kostenintensiven Prozesse müssen für eine
zukunftsgerechte E-Mobilität durchgängig
etabliert und stabilisiert werden, sind wichtige Beiträge für die Umwelt.
Hall A2, Stand 475
Einblick: die Technik eines Formel-E-Boliden der Saison 2015/2016
ELEKTRONIKPRAXIS Kompendium Power Design & Stromversorgungen September 2016
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STROMVERSORGUNGEN // WANDLER
Wie sich bipolare Spannungen
störungsarm erzeugen lassen
Alle unterschiedlichen Möglichkeiten, positive und negative Versorgungsspannungen zu erzeugen, haben Vor- und Nachteile. Neue
Schaltregler-ICs bieten hier effiziente und störungsarme Alternativen.
FREDERIK DOSTAL *
I
Analog Devices
n vielen Anwendungen ist für den Signalpfad sowohl eine positive als auch eine
negative Versorgungsspannung notwendig. Damit werden beispielsweise bipolare
Operationsverstärker oder auch Analog-Digital-Wandler versorgt. Die negative Spannung kann auf unterschiedliche Weise erzeugt werden. Die üblichsten sind eine negative Sekundärwicklung auf einem bereits
vorhandenen Transformator, eine Erzeugung
mit einer invertierenden Ladungspumpe,
eine invertierende ĆUK-Schaltung und die
Inverting-Topologie.
Alle diese Topologien sind altbekannt und
werden häufig verwendet. Es gibt jedoch
Weiterentwicklungen auf diesem Gebiet, mit
denen sich Störungen reduzieren und die
Effizienz erhöhen lassen.
Ein Transformator erzeugt die
negative Spannung
Die Verwendung eines Transformators zur
Erzeugung einer negativen Spannung ist nur
sinnvoll, wenn im System aus anderen Gründen bereits ein Transformator vorgesehen ist
oder galvanische Trennung gefordert ist. Der
Einsatz eines Transformators nur für den
Zweck der Generierung einer negativen
Spannung ist üblicherweise zu aufwändig
und zu teuer.
Bild 1 zeigt, wie eine negative Spannung
mit einem bestehenden Transformator für
eine 3,3-V-Versorgung erzeugt werden kann.
Eine zusätzliche Wicklung funktioniert gut,
hat jedoch auch einige Nachteile. Die Regelung des Sperrwandlers erfolgt auf die generierten 3,3 V. Somit muss die negative Spannung mit einem negativen Linearregler wie
dem ADP7182 nachgeregelt werden, wobei
relativ hohe Verluste entstehen.
* Frederik Dostal
... arbeitet als Power Management Experte bei Analog Devices in München.
10
Das Evaluation Board ADP5070CP-EVALZ: Mit ihm lässt sich die Funktionalität des DC/DC-Wandlers
ADP5070 demonstrieren
Eine weitere Möglichkeit ist der Einsatz
einer Ladungspumpe, mit der sich negative
Spannungen recht einfach erzeugen lassen.
Ladungen auf Kondensatoren werden dabei
mithilfe von Schaltern zu anderen Spannungen hinzufügt. Bild 2 zeigt den Aufbau einer
Ladungspumpe, die negative Spannungen
erzeugen kann.
Eine Ladungspumpe benötigt
keine Induktivitäten
Die Vorteile einer Ladungspumpe sind,
dass es durch diese Methode relativ einfach
ist eine negative Spannung zu erzeugen. Es
werden keine Induktivitäten benötigt. Es gibt
aber auch Nachteile. Die maximale Leistung
ist klein und liegt üblicherweise mit 100 mA
bei –5 V bei 500 mW. Zudem hat die erzeugte
Spannung eine starke Welligkeit. Diese Tat-
sache erfordert für viele Anwendungen zusätzliche Filterstufen. Für kleine Leistungen
ist diese Art der Generierung einer negativen
Spannung sehr beliebt.
Die ĆUK-Topologie generiert
wellenarme negative Spannung
Eine sehr elegante Möglichkeit eine negative Spannung zu erzeugen, ist die ĆUKTopologie (nach Slobodan Ćuk, der die
Schaltung 1976 vorstellte). Bild 3 zeigt eine
entsprechende Schaltung. Sie generiert eine
negative Spannung mit sehr geringer Welligkeit. Dieses Verhalten ist auf die beiden Induktivitäten zurückzuführen: Eine Induktivität ist eingangsseitig und die andere ausgangsseitig angebracht. Dies stellt sicher,
dass eine ĆUK-Topologie sowohl eingangsseitig als auch ausgangsseitig nur geringe
ELEKTRONIKPRAXIS Kompendium Power Design & Stromversorgungen September 2016
STROMVERSORGUNGEN // WANDLER
Bild 1: Generierung einer
negativen
Spannung mit
Hilfe eines
Transformators
Bild 2: Negative Spannungen mit einer Ladungspumpe
erzeugt
Bild 3: ĆUKTopologie zur
Erzeugung einer negativen
Spannung mit
zwei Induktivitäten
Störungen erzeugt. Nachteilig ist, dass zwei
Induktivitäten benötigt werden und dass es
nur wenige Schaltregler gibt, die den notwendigen negativen Rückkoppelpfad bieten.
Inverting-Topologie braucht nur
wenige Komponenten
Eine Inverting-Topologie kann eine negative Spannung mit nur einer Induktivität
erzeugen. Bild 4 zeigt eine solche Schaltung.
Sie gehört zu einer der drei grundlegenden
Schaltreglertopologien, die neben einem
Eingangs- und Ausgangskondensator mit nur
jeweils einem Schalter, einer Diode und einer
Induktivität auskommt. Zu dieser Gruppe
gehören der Abwärtswandler (Buck) der
Hochsetzsteller (Boost) sowie die InvertingTopologie. Somit hat der Inverting-Regler nur
einen geringen Bauteilebedarf und hat eine
generell hohe Leistungseffizienz. Praktisch
kann für eine Inverting-Schaltung ein beliebiger Buck-Regler oder -Kontroller verwendet
werden. Er wird so betrieben, dass der Masseanschluss des Buck-Reglers zur negativen
Ausgangsspannung wird. Dies funktioniert
gut, bringt jedoch weitere Auswirkungen mit
sich. Dadurch haben die Interface-Pins des
Buck-Reglers, beispielsweise Soft-Start, Ena-
ble, Frequenzeinstellung und ähnliches keinen Systemmassebezug mehr, sondern Bezug zur erzeugten negativen Spannung, also
zum Masseanschluss des Schaltreglers. Dies
kann eine zusätzliche Schaltung zum Umsetzen von Signalspannungen erfordern.
Doppel-Schaltregler-IC
optimiert die Schaltung
Eine sehr geschickte Möglichkeit eine negative Versorgungsspannung zu erzeugen,
ist die Verwendung eines integrierten Stromversorgungsbausteins. Bild 5 zeigt eine solche Schaltung mit dem Schaltregler IC
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Bild 4: Die Inverting-Topologie (Buck-Boost)
STROMVERSORGUNGEN // WANDLER
ADP5070 von Analog Devices. Er besteht aus
zwei voneinander getrennten DC/DC-Wandlern, die aus einem Eingangsspannungsbereich von 2,85 bis 15 V sowohl eine positive
als auch eine negative Spannung erzeugen.
Die positive wird mit einer Boost-Topologie
erzeugt und kann bis 39 V betragen, die negative wird mit der Inverting-Topologie erzeugt und kann bis auf bis zu –39 V eingestellt werden. In den meisten Systemen geht
man davon aus, dass, wenn eine negative
Spannung gebraucht wird, auch eine positive Spannung notwendig ist. Somit ist es vorteilhaft, beide Schaltregler in einem IC zusammenzufassen. Diese Integration hat neben einem geringen Platzbedarf weitere
Vorteile. So sind die Schaltfrequenzen der
beiden getrennten Schaltregler in diesem
einen IC mit einem Phasenversatz synchronisiert. Das hilft, die von dem Schaltregler
erzeugen Störungen, zu minimieren. Wie bei
einer invertierenden Topologie üblich, kann
der Betrag der negativen Ausgangsspannung
größer oder kleiner sein, als die Eingangsspannung selber (Buck-Boost). Die positive
Ausgangsspannung des ADP5070 kann ebenfalls größer oder kleiner sein als die Eingangsspannung. Hierfür kann der Regler in
einer üblichen ‚Boost‘-Topologie als auch in
einer ‚SEPIC‘-Topologie betrieben werden.
Die Regelschleife ist so ausgelegt, dass beide
Betriebsarten zulässig sind.
Der integrierte Schaltregler für die Inverting-Topologie beinhaltet automatische
Spannungsanpassungen für alle Interface
Anschlüsse. Somit können beispielsweise
Signale zum Ein- und Ausschalten, oder zum
Einstellen der Schaltfrequenz, einen Systemmassebezug haben und müssen nicht, wie
bei der Inverting-Topologie allgemein üblich,
mit Spannungsumsetzern angepasst werden.
Es sind unterschiedliche Arten der Einschaltung vorgesehen. Entweder ein gleichzeitiges
Anlaufen der positiven und der negativen
Ausgangsspannung oder ein sequentielles
Anlaufen, wobei eine Spannung erst eine
gewisse Schwelle (ca. 85%) der eingestellten
Ausgangsspannung erreichen muss, bevor
die andere Spannung aktiviert wird. Neben
der flexiblen Anlaufmöglichkeit kann die
Anlaufgeschwindigkeit jeweils getrennt mit
einem eigenen Soft-Start eingestellt werden.
Um eine kleine Bauform der Stromversorgung zu ermöglichen, ist die Schaltfrequenz
bis 2,4 MHz einstellbar und bis 2,6 MHz mit
einem externen Takt synchronisierbar. Diese
sehr hohen Schaltfrequenzen ermöglichen
die Verwendung von kleinen und kostenoptimierten Induktivitäten. Zudem hilft der
hohe Freiheitsgrad der Schaltfrequenz dabei,
erzeugte Störungen auf Frequenzbereiche zu
12
Bild 5: Erzeugen einer
positiven und negativen
Spannung mit einem
Schaltregler-IC
Bild 6: Einstellbare Geschwindigkeit der Schaltübergänge
setzen, bei denen das System besonders wenig gestört wird.
Wie sich sehr störungsarme
Spannungen erzeugen lassen
Viele Anwendungen, die negative Versorgungsspannungen benötigen, müssen mit
störungsarmen Spannungen versorgt werden. Ein Beispiel ist der Signalpfad einer
messtechnischen Anwendung. Hier benötigt
ein bipolarer Operationsverstärker oder auch
die bipolare Eingangsstufe eines Analog Digital Umsetzers sowohl eine positive, als
auch eine negative Versorgungsspannung.
Schaltregler erzeugen eine gewisse Ausgangsspannungswelligkeit, die mit einem
guten Ausgangskondensator mit niedrigem
ESR (Equivalent Series Resistance) und hohem Kapazitätswert sowie einer großen Induktivität minimiert werden kann. Darüber
hinaus helfen zusätzliche Filterstufen, beispielsweise mit einem LC-Filter oder einem
Linearregler.
Ein größeres Problem sind üblicherweise
die von den Schaltübergängen erzeugten
Störfrequenzen. Sie werden generiert, indem
ein Stromfluss in nur wenigen Nanosekunden geschaltet wird. Vorhandene parasitäre
Induktivitäten im geschalteten Stromlaufpfad erzeugen bei schnellem Schalten, hochfrequente Spannungsspitzen, die sich leicht
in der gesamten Schaltung verbreiten. Die
parasitäre Induktivität kommt beispielsweise von den Leiterbahnen auf der Platine oder
auch von den Gehäusen der verwendeten
Bauteile. Beim Entwurf der Stromversorgung
ist darauf zu achten, die AC-Strompfade, also die Leiterbahnen, auf denen der Stromfluss in einer Stromversorgung im Betrieb
an- und abgeschaltet wird, so kompakt wie
möglich auszuführen. Dies minimiert die
parasitäre Induktivität und reduziert die von
den Schaltübergängen erzeugten Störungen.
Wenn ein optimiertes Platinenlayout erstellt wurde und es trotzdem zu Störungen
kommt, kann passende Abhilfe sehr aufwändig sein. Diese Tatsache ist bei Entwicklungen besonders unangenehm, da Störungen
häufig erst sehr spät im Entwicklungsprozess
bemerkt werden. Dann ist es meist mit hohem Kosten- und Zeitaufwand verbunden,
Abhilfe zu schaffen.
Der ADP5070 hat eine wertvolle Funktion
integriert, die zum Reduzieren von Störungen erheblich beitragen kann: Für eine hohe
Leistungseffizienz können die Schaltübergänge sehr schnell ausgelegt werden. Sollte
es im Laufe der Systementwicklung zu Problemen bezüglich Störungen kommen, lassen sich die Schaltübergänge um zwei Stufen
verlangsamen. Dies reduziert zwar die Leistungseffizienz durch höhere Schaltverluste,
reduziert aber auch die durch die Schaltübergänge generierten Störungen. Bild 6 zeigt die
Auswirkung auf die Schaltflanken bei unterschiedlichen Einstellungen. Wenn der SLEWPin mit VREG verbunden wird, ist die mittlere Schaltgeschwindigkeit ausgewählt. Ein
schnelleres Umschalten für höchste Leistungseffizienz wird erreicht, wenn der SLEWPin mit keiner Leitung verbunden wird. Um
die geringsten Störungen zu erhalten wird
der SLEW-Pin mit Masse verbunden. Diese
Einstellmöglichkeit schafft ein optimiertes
System in Bezug auf Leistungseffizienz sowie
EMV-Verhalten und es beruhigt die Nerven
eines Entwicklers ungemein.
// TK
Analog Devices
+49(0)89 769030
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Simple, Easy Solutions
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Key Highlights
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Good EMI, Compliant
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Low Dropout Voltage
3 for Automotive Cold Crank
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www.monolithicpower.com
© 2016 Monolithic Power Systems, Inc. Patents Protected. All rights reserved.
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STROMVERSORGUNGEN // NETZGERÄTE & NETZTEILE
Was Sie über die Lebensdauer von
Stromversorgungen wissen sollten
Wie langlebig ist eine Stromversorgung unter den vorgebenen Einsatzbedingungen im Endgerät? Die Antwort auf diese Frage findet sich
nicht einfach als Zahlenwert in den Spezifikationen der Hersteller.
E
aufgrund der Erwärmung sein Leben ausgehaucht. Dabei war das Medizintechnikunternehmen bei der Auswahl dieser Stromversorgung von einer ausreichend langen
Lebensdauer ausgegangen. Als MTBF-Wert,
Mean Time Between Failure, wurden vom
Hersteller 270.000 h angegeben, das entspricht einer Zeitspanne von 30 Jahren. Weitere Eigenschaften, wie Überlast-, Kurzschluss-, und Überspannungs-Schutz versprachen darüber hinaus ein langes,
störungsfreies Produktleben.
Ohne Lüftungsschlitze steigt
die Innentemperatur
Der Hersteller hatte sich für Netzteile mit
Konvektionskühlung entschieden. Elektrik
und Elektronik des MRT-Geräts waren bereits
im Labor erfolgreich ausgetestet, als das Produktdesign noch einmal Veränderungen am
Gehäuse vornahm. Die Lüftungsschlitze verschwanden und alles sollte kompakter werden. Die Folge war eine Erhöhung der Innentemperatur. Udo Schweizer vom Stromversorgungshersteller TDK-Lambda hält es nicht
für abwegig, dass die Änderungen an der
Gehäusegestaltung des Kunden für das Versagen des Netzteils verantwortlich waren.
Schweizer, als Product Manager und Field
Application Engineer für Standard-Einbaustromversorgungen zuständig, wird tagtäglich mit Fragen der Lebensdauer von
Stromversorgungen konfrontiert. „10 Kelvin
Temperaturerhöhung am Kondensator halbieren die Lebensdauer“, so sein ernüchterndes Resümee.
TDK-Lambda
s war ein schwüler Sommertag. Das
Thermometer zeigte 30 °C – und das
Display des Magnetresonanztomographen den Ausfall einer Stromversorgungseinheit. Die Maschine war erst fünf Jahre alt.
Der sofort kontaktierte Service kündigte sich
für den nächsten Morgen an. Zu spät für den
Patienten, der bereits im MRT lag und alle
anderen im vollen Wartezimmer der radiologischen Praxis. Die Patienten mussten nach
Hause geschickt und neue Termine vereinbart werden. Viel Ärger, Verdienstausfall und
auch ein Stück weit Vertrauensverlust in die
Verfügbarkeit der Technik bei Personal und
Patienten.
Und das alles wegen eines Elektrolyt-Kondensators, wie sich später beim Netzteilhersteller herausstellte. Der Kondensator hatte
Das 100-W-Netzteil ZMS 100:
Es weist dank ausgefeiltem
Thermodesign eine Lebensdauer von über 10 Jahren auf
(bei 230 VAC, 75% Last und
Luftkonvektion).
14
ELEKTRONIKPRAXIS Kompendium Power Design & Stromversorgungen September 2016
STROMVERSORGUNGEN // NETZGERÄTE & NETZTEILE
DIN-
Hutschienennetzteile
Bild 1: Die Thermografie gibt
Auskunft über
die „Lebensbedingungen“ der
Bauteile in einem
Netzteil.
75 – 960 W
Am Elko addiert sich zur Umgebungs­
temperatur die Eigenerwärmung, hervor­
gerufen durch einen mehr oder weniger aus­
geprägten Ripple­Strom in den Elko. Im
Industriebereich sind Betriebstemperaturen
bis 50 °C der Standard. Angenommen ein
105­°C­Elko mit 10.000 h Lifetime ist bei 50 °C
Umgebungstemperatur einer Eigenerwär­
mung von 25 °C ausgesetzt, das sind 30 K
unter Spezifikation. Daraus resultiert eine
Lebenserwartung von 80.000 h – etwa 9 Jah­
ren. In besagtem MRT­Gerät treten jedoch in
einigen Zonen des Gehäuses bis zu 70 °C und
mehr auf. Selbst bei einer deutlich reduzier­
ten Eigenerwärmung lassen sich mit den
gebräuchlichen 105 °C Elkos hier nur noch
wenige Jahre Lebenserwartung realisieren.
Höherwertige Elkos bis 130 °C gibt es zwar,
in Standard­Stromversorgungen findet man
diese jedoch selten.
Was bei der Evaluation konkret
zu beachten ist
Schweizer rät dazu, stets die Einbau­ und
Betriebssituation der Netzteile zu berück­
sichtigen. Die Hinweise zur MTBF allein sind
keine Entscheidungskriterien: „Die publi­
zierten Spezifikationen der Hersteller liefern
keine konkreten Zahlenangaben zur Lebens­
erwartung der Geräte. Zu viele äußere Fakto­
ren spielen eine Rolle. So dass sich die Le­
benserwartung nicht einfach als Zeile unter
den Spezifikationen mit auflisten lässt. Die
gewährte Garantie gibt sicher einen ersten
Anhaltspunkt, wie lange das Gerät wohl hal­
ten wird“, sagt der Netzteil­Spezialist.
Viele verlassen sich bei der Auswahl der
Bauteile auf die Angabe der MTBF. Für diese
gibt es verschiedene Berechnungsmethoden
– z.B. MIL­HDBK­217, Bellcore/Telcordia oder
auch Siemens Norm. Abweichungen um den
Faktor 10 bis 50 sind dabei üblich. Ohne
konkrete Aussagen zur Berechnungsgrund­
lage der MTBF sind die Angaben der Herstel­
ler wenig hilfreich. Klammert der Hersteller
zudem verschleißanfällige Komponenten­
wie zum Beispiel Lüfter – aus der Berech­
nung aus, werden Produktvergleiche erst
recht fragwürdig.
Wesentliche Parameter zum
Ermitteln der Lebenserwartung
Der MTBF­Wert wird als Kehrwert aus der
Addition aller Fehlerraten ermittelt. Wel­
chem Stress jedes Bauteil innerhalb des Ge­
rätes ausgesetzt ist, spielt bei dieser Betrach­
tung keine Rolle. Doch Auslastung, Tempe­
ratur und andere Umgebungseinflüsse sind
die maßgebenden Parameter, um die Lebens­
erwartung eines Gerätes zu ermitteln.
Dabei wären über die Service­Retouren
ermittelte, tatsächlich aufgetretene Ausfälle
eine viel verlässlichere Quelle für die Lebens­
erwartung eines Gerätes. Das Problem: Diese
Daten werden erst im Laufe der Zeit – oft
nach mehreren Jahren – wirklich aussage­
kräftig. Beim Design der Anwendung liegen
meist noch keine verwertbaren Langzeiter­
fahrungen aus dem Feld vor.
Um Alterung und Verschleiß in einem
Netzteil zu bestimmen, werden einige Proto­
typen eines Gerätes erhöhten Betriebstem­
peraturen und mechanischen Belastungen
ausgesetzt. Mittels dieses sogenannten High­
ly Accelerated Life Test (HALT) lassen sich
Schwachstellen des Designs aufzudecken.
Diese Erkenntnisse fließen dann in die wei­
tere Produktentwicklung ein. Obschon HALT
sich wenig für eine Prognose zur Ausfall­
wahrscheinlichkeit im Normalbetrieb eignet,
zeigt das Verfahren jedoch eindrucksvoll: bei
Standard­Stromversorgungen sind immer die
ELEKTRONIKPRAXIS Kompendium Power Design & Stromversorgungen September 2016
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Serie SD
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75 – 480 W
Serie NDR
• 1-Phasen-Weitbereichseingang
• Effizienz bis 92,5 %
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STROMVERSORGUNGEN // NETZGERÄTE & NETZTEILE
bis zu 150 °C warm werden darf, ist er nur zu
66,5% ausgelastet. Eine Tatsache, die sich
sehr positiv auf die Lebenserwartung auswirkt.
Wie der Anwender die Lebenserwartung erhöhen kann
Bild 2: Einfluss der Temperatur auf die Lebenserwartung eines Aluminium-Elektrolyt-Kondensators.
gleichen Komponenten für die Lebenserwartung entscheidend. Namentlich: Lüfter, Relais und immer wieder die Elektrolyt-Kondensatoren.
Mit zunehmender Leistung wird
ein Lüfter immer wichtiger
Während Relais weitgehend durch Halbleiterelemente ersetzt werden, für die die
Zahl der Schaltvorgänge eine untergeordnete Rolle spielt, kommt man an Lüftern nicht
vorbei. Gerade in Schaltnetzteilen ab einer
Ausgangsleistung von etwa 300 W gewährleisten Lüfter die Kühlung des Netzteiles und
wirken sich zunächst einmal positiv auf die
Lebenserwartung aus. Gleichzeitig aber unterliegen sie als mechanisches Bauteil dem
Verschleiß. Je kleiner der Lüfter, z.B. in hoch
integrierten Netzteilbauformen mit 1 HE
Front-Ends – desto höher der Verschleiß aufgrund erhöhter Drehzahlen.
Wärme beschleunigt die Alterung der Bauteile und damit ihr Ausfallrisiko, besonders
bei Elkos. Somit sind Elektrolytkondensatoren in der Regel das lebenszeitbestimmende
Element in jedem Netzteil. Die Lebenserwartung von Elkos wird bei Ihrer spezifizierten
Maximaltemperatur angegeben. Bei Erreichen der genannten Lebenszeit hat der Elko
aber bereits ca. 20% seiner ursprünglichen
Kapazität eingebüßt. Ab diesem Punkt führt
der gestiegene Innenwiderstand zu einer
immer stärkeren Eigenerwärmung und damit
zu einer sich beschleunigenden Alterung, die
in absehbarer Zeit zum Ausfall führt. 5000
bis 10.000 h – das bedeutet, dass bei einer
Temperatur von 105 °C die Lebenserwartung
eines Elkos bei gerade einmal einem Jahr
16
liegt – ein Wert, der weit unterhalb jeder akzeptablen Einsatzdauer eines Endgerätes
liegt.
Was ein Hersteller von Stromversorgungen bieten muss
Zunächst sollte es eine Selbstverständlichkeit sein, die Bauteilespezifikation auch unter ungünstigsten Einsatzbedingungen nicht
auszureizen. Der Hersteller sollte der Temperaturentwicklung aller Bauteile besonderes
Augenmerk schenken. Das Design muss eine
zuverlässige Kühlung aller kritischen Bauteile sicherstellen. Insbesondere die Elektrolytkondensatoren sind sorgfältig zu dimensionieren und so innerhalb des Netzteiles zu
platzieren, dass ihre Temperatur so gering
wie möglich bleibt.
Vor diesem Hintergrund sollten Anwender
abwägen, ob das aktuell leistungsstärkste
Model innerhalb einer Standardbaugröße –
z.B. im 2“-x-4“-Format – die beste Lösung
darstellt. Bei extrem kompakten Designs
werden möglicherweise Kompromisse eingegangen, die sich negativ auf die Lebenserwartung des Gerätes auswirken.
TDK-Lambda dokumentiert in seinen „Reliability Data“ umfangreiche Informationen
zur Temperaturentwicklung. Neben der obligatorischen MTBF-Berechnung findet man
dort eine Tabelle zur den Reserven in der
Dimensionierung der Bauteile – die „Component Derating List“. Diese Übersicht zeigt,
zu wieviel Prozent das Bauteil bei Nennbelastung des Netzteiles tatsächlich ausgelastet
ist. Wird ein Transistor bei Einsatz unter
Nennlast im Netzteil gerade einmal 99,7 °C
warm, obwohl er nach Bauteile-Spezifikation
Aber auch Endanwender können etwas für
die Lebenserwartung ihrer Stromversorgung
im Endgerät tun. Denn was für das Design
innerhalb des Netzteiles gilt, das gilt auch
beim Einbau des Netzteiles im Endgerät. Entscheidend ist die Temperatur, bei der das
Netzteil innerhalb des Endgerätes betrieben
wird. Daraus ergibt sich die Entscheidung für
das passende Kühlkonzept. Man unterscheidet hier grob vier Arten: Konvektionskühlung, Lüfterkühlung, Kontaktkühlung über
eine Baseplate und Kühlung über einen Luftstrom.
Am besten geeignet ist ein Bereich mit
möglichst geringer Wärmeentwicklung und
ausreichend Freiraum zur Luftzirkulation,
bzw. gut gekühlt durch Luftstrom, Lüftungsschlitze usw.
„Wie stark ist die Temperaturerhöhung
innerhalb des Endgerätes gegenüber der Umgebungstemperatur? Wie wärmedurchlässig
ist das Gehäuse des Endgerätes? Kann die
innerhalb des Gehäuses entstehende Wärme
schnell an die Umgebung abgegeben werden,
oder bildet sich ein Wärmestau?“ fragt Udo
Schweizer und warnt: „Möglichst kompakte
Gehäuse sind sicher chic und der Verzicht
auf Lüftungsöffnungen ist je nach Einsatzfeld zwingend – aber die Auswirkungen auf
die Temperaturentwicklung im Gerät dürfen
nicht außer Acht gelassen werden!“
Der Aufstellort beeinflusst die
Gerätetemperatur
Was Entwickler auch beachten sollten: den
Einfluss des Aufstellorts auf die Temperatur
des Endgerätes. Auch Sonneneinstrahlung
und benachbarte Geräte können die Betriebstemperatur deutlich erhöhen. Und selbst
jahreszeitliche Einflüsse können eine Rolle
spielen. Weniger problematisch sind jahreszeitliche Schwankungen mit wenigen, heißen Hochsommertagen und überwiegend
moderateren Bedingungen. Stellt die Spezifikation eine Maximalanforderung dar, die
nur in seltenen Fällen wirklich benötigt
wird? Dann kann die Kalkulation der Lebenszeit des Gerätes auf den typischen Einsatzbedingungen beruhen, mit einem eventuell
früheren Ausfall bei den wenigen Extremanwendungen.
// TK
TDK-Lambda
+49(0)7841 6660
ELEKTRONIKPRAXIS Kompendium Power Design & Stromversorgungen September 2016
STROMVERSORGUNGEN // VERANSTALTUNG
Optimales Design und sinnvolle
Auswahl von Stromversorgungen
Der Power-Kongress 2016 am 25./26. Oktober in Würzburg befasst
sich mit Design und Auswahl von Stromversorgungen und bietet eine
begleitende Fachausstellung: www.power-kongress.de
Hermann Püthe, Inpotro: Wie Sie
schnell zum Schaltnetzteil kommen
Dr. Martin Moerz, RevisionOne: Dos
und Don’t’s beim SNT-Design
D
er Power-Kongress 2016 teilt sich in
zwei unterschiedliche Stränge. Am
ersten Tag geht es ausschließlich um
das Stromversorgungs-Design und die Zielgruppe setzt sich aus StromversorgungsEntwickler zusammen, die ihre Stromversorgungen selber entwickeln. Am zweiten Tag
geht es um die richtige Auswahl der passenden Stromversorgung sowie um begleitende
Themen, Speziallösungen und aktuelle
Trends für Geräte- und Anlagenbauer, die
eine optimierte Stromversorgung für ihr System im Gerät integrieren wollen.
Der Power-Kongress wendet sich an Hardwareentwickler, Systemdesigner, Geräteund Anlagenbauer in den Bereichen Industrieelektronik und Automation, Telekommunikation und Computertechnik sowie in
Medizin, Energie und Luftfahrttechnik.
Von den Basics zu Best Practice
Folgende Themen und Referenten gestalten das Programm am 25. Oktober. Motto an
diesem Tag: „Design von Stromversorgungen
– von den Basics zu Best Practice“.
Vortrag 1: Dos und Don’t’s beim Schaltnetzteil-Design. Referent ist Dr. Martin Moerz von
RevisionOne Engineering.
Nils Dirks, DCC: EMV von Stromversorgungen und Wechselwirkungen
Vortrag 2: Benefits of 1200V SiC MOSFETs
in Soft-Switching Topologies. Referent ist
Vladimir Scarpa von ROHM Semiconductor.
Vortrag 3: New digital power controller for
reliability and availability improvement of
DC/DC converter. Referent ist Dr.-Ing. Bernhard Strzalkowski von Analog Devices.
Vortrag 4: Bidirektionaler Energiefluss
durch den Einsatz von DC-Leistungs-Übertragern. Referent ist Alexander Mezin, Vicor.
Vortrag 5: Der Flyback als optimaler Wandler für offline – SNTs bis > 250 W.
Vortrag 6: Kondensatorauswahl und -belastung entscheiden über Zuverlässigkeit
und Lebensdauer von Schaltnetzteilen.
Vortrag 7: Negativer Eingangswiderstand
von SNTs – eine selten erkannte Falle.
Vortrag 8: Oszilloskop-Messtechnik in der
Schaltnetzteilentwicklung, Referent der Vorträge 5, 6, 7 und 8 ist Dr.-Ing. Artur Seibt.
Auswahl, Integration, Trends
In der Vortragsreihe am 26. Oktober geht
es um die Auswahl von Stromversorgungen
und um die Integration ins System.
Vortrag 1: Werden SiC und GaN Silizium
binnen 2 Jahren ersetzen? Soll man deshalb
mit Anschaffungen warten? Reifegrad, Vor-
ELEKTRONIKPRAXIS Kompendium Power Design & Stromversorgungen September 2016
Johann Wiesböck, ELEKTRONIKPRAXIS: Ich freue mich auf Sie
und Nachteile, sinnvolle Anwendungsbereiche. Referent ist Dr.-Ing. Artur Seibt.
Vortrag 2: Wie Sie schnell und sicher zum
optimalen Schaltnetzteil kommen. Referent
ist Hermann Püthe von Inpotron.
Vortrag 3: Kalibrierung von Präzisionsstromwandlern bis 1000A von DC bis 100kHz.
Referent ist Helmut Rohrer, Rohrer GmbH.
Vortrag 4: Testing the Power Side of a DUT.
Referent ist Dr. Christian Miesner von CME.
Vortrag 5: Die Suchmaschine für DC/DCWandler, Alexander Friebe, DCDCselector.
Vortrag 6: Mysterium Datenblatt richtige
Auswahl und Anwendung von DC/DC-Wandlern, Frank-Peter Romeis, RECOM.
Vortrag 7: EMV von Stromversorgungen
– Problemstellungen und Wechselwirkungen
im System trotz zertifizierter Komponenten.
Referent ist Nils Dirks von DCC.
Vortrag 8: Implementierung von Stromversorgungen ins System auf der Basis von Datenblattangaben. Referent ist Prof. Dr. Werner Wölfle von Traco Power Solutions.
Vortrag 9: Wie lange lebt meine Stromversorgung tatsächlich? Markus Obritzhauser,
EGSTON System Electronics.
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www.power-kongress.de
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STROMVERSORGUNGEN // ENERGY HARVESTING
Wie sich Energie aus der Umwelt
praktisch nutzen lässt
Energie ist überall, wir müssen sie nur ernten. Worauf es dabei
konkret ankommt, erklärt uns Tony Armstrong, Director Product
Marketing Power Products bei der Linear Technology Corporation.
Tony Armstrong: Director of Product Marketing Power Products, Linear Technology Corporation
ELEKTRONIKPRAXIS: Herr Armstrong, was
sind die Herausforderungen beim Energy
Harvesting, besonders bei kleinen Stromversorgern, da die geerntete Energie schließlich nicht gleichmäßig fließt?
Tony Armstrong: In Photovoltaik-Systemen entfällt der Löwenanteil der Kosten auf
Panel und Batterien. Jede kosteneffiziente
Lösung maximiert dabei die Kapazitätsausnutzung und die Lebensdauer der Bauteile.
So verlängert etwa ein hochwertiger Lader
die Laufzeit der Batterie, d.h. kleinere Kapazitäten reichen aus, die Lebensdauer verlängert sich und die Kosten für Wartung sowie
Austausch werden reduziert. Verwendet man
einen DC/DC-Controller, der die maximale
verfügbare Energie zur Verfügung stellt,
18
reicht ein kleineres und damit kostengünstigeres Panel.
Der LT8490 zum Beispiel ist ein Ladecontroller für Blei- und Lithium-Akkus, der von
einem Solarpanel oder jeder anderen DCSpannungsquelle versorgt werden kann. Er
bietet echtes Maximum Power Point Tracking
(MPPT) für Solarpaneele und optimiert den
Batterieladealgorithmus für verschiedene
Batterietypen. Mit 80 V an Eingang und Ausgang kann der LT8490 an Panels mit bis zu
96 Zellen in Serie eingesetzt werden. In der
Leistungsstufe kommen vier externe N-Kanal-MOSFETs und eine Spule in einer BuckBoost-Konfiguration zum Einsatz. Die BuckBoost-Konfiguration ermöglicht das Laden
mit Panelspannungen, die unter oder über
der Batteriespannung liegen oder gleich
sind, wobei die niedrigste Panelspannung
6 V beträgt.
Batterien halten länger und liefern länger,
wenn der Ladealgorithmus auf den Batterietyp optimiert ist. Ebenso ermöglicht ein
leistungsfähiger MPPT-Lader, der dem maximalen Powerpoint (MPP) bei Abschattung
folgt, den Einsatz von kleineren und preiswerteren Panels. Eine diskrete Lösung würde
einen Mikrocontroller, einen Hochleistungsschaltregler und einen langen FirmwareEntwicklungszeitraum erfordern und wäre
damit deutlich teurer und zeitaufwändiger.
Ein integrierter MPPT-Algorithmus, der keine
Firmware-Entwicklung erfordert, reduziert
die Time-to-Market deutlich, ein integrierter
Buck-Boost-Controller ermöglicht eine Eingangsspannung VIN über, unter oder gleich
der Batteriespannung VBAT. Unterstützt werden Blei- und Lithium-Ionen-Akkus, erlaubt
sind 6 bis 80 Vin sowie 1,3 bis 80 VBAT.
Der LT8490 kann von Solarpanels oder
anderen DC-Spannungsquellen gespeist werden. Dabei lassen sich die verschiedensten
Solarpanel verwenden, mit Panelspannungen die unter, über oder gleich der Batteriespannung liegen. Von 6 V (Kalttemperatur)
bis 80 V an Eingang und Ausgang kann der
LT8490 an Panels von 16 Zellen bis zu 96
Zellen in Serie eingesetzt werden. Da die Leistungsstufe extern ist, kann sie für die jeweilige Applikation optimiert werden. Falls
nötig, kann der Ladestrom begrenzt werden
(bei anderen DC-Quellen die Eingangsspannung). Bei Betrieb an Solarpanels folgt der
LT8490 dem MPPT auch bei Abschattung,
wenn mehr als ein lokaler MPP auftritt. Erscheint z.B. der MPP mit 200 W bei 25 V bei
voller Panelbestrahlung, beträgt bei partieller Abschattung die erzielbare Leistung beim
25-V-Punkt nur noch 50 W, mit einem neuen
echten MPP bei 16 V und 128 W. Das MPP folgt
von der ursprünglichen Leistungsspitze von
25 V/200 W dem neuen lokalen Maximum bei
~32 V/63 W. Dieser Effekt des doppelten lokalen Maximums ist der Nachteil bei traditionellen MPPT Funktionen, die man in vielen
ELEKTRONIKPRAXIS Kompendium Power Design & Stromversorgungen September 2016
STROMVERSORGUNGEN // ENERGY HARVESTING
Controllern finden kann, diese bleiben bei
der ursprünglichen 25 V/200 W Spitze statt
auf die 32 V/63 W Spitze zu folgen. Der LT8490
dagegen findet den echten neuen MPP bei 16
V/128 W, was zusätzliche 65 W vom Panel
bringt. Er macht dies durch Messung der gesamten Leistungskurve des Panels in regulären Intervallen und durch Festlegen des
echten MPP bei dem gearbeitet wird. In diesem Fall wird mehr als die doppelte Leistung
dem Panel entnommen, es wird sogar bei
Abschattungen mehr Leistung erzeugt.
Ladealgorithmen können konfiguriert werden entsprechend den Anforderungen der
jeweiligen Applikation, dies mit der Spannung an zwei Konfigurationspins. Bleibatterien als AMG, als Geltypen oder Säuretypen
benötigen unterschiedliche Ladespannungen für lange Lebensdauer. Li-Ionen- und
LiFePO4-Zellen haben andere Anforderungen
an die Ladung als Bleibatterien. Einige dieser
eingebauten und konfigurierbaren Ladekontrollfunktionen sind:
„ Ladespannungs-Temperaturkompensation (typisch für Bleibatterien) nutzt NTCs,
„ Batterieüber- und -untertemperaturerkennung halten den Ladestrom an, um Batterien zu schützen,
„ Erkennung defekter Batterien stoppt die
Ladung, um Gefahren abzuwenden,
„ Einstellbare Erhaltungsladung von tief
entladenen Batterien verhindert Schäden,
„ Laden mit Konstantstrom bis zum Endwert, dann Laden mit Konstantspannung,
„ Reduzieren der Ladespannung beim Erreichen des Endwertes,
„ Begrenzung der Ladezeit bei Betrieb an
Gleichspannungsquellen.
Effizienz ist der Schlüsselparameter bei der
Leistungsumwandlung. Mit welcher Technologie verbessern Sie diese?
Auf der Welt gibt es genügend Umgebungsenergie und der konventionelle Ansatz für
die Energieernte erfolgt mit Solarzellen und
Der LT8490: ein Ladecontroller für Blei- und Lithium-Batterien, der auch von einem Solarpanel oder jeder
anderen DC-Spannungsquelle versorgt werden kann.
Windgeneratoren. Neue Erntetools ermöglichen uns aber, elektrische Energie auch aus
einer ganzen Reihe von weiteren Umgebungsquellen zu gewinnen.
Darüber hinaus ist nicht die Umsetzungseffizienz der Wandlerschaltungen wichtig,
sondern der Betrag der durchschnittlich geernteten Energie, die verfügbar ist, sie zu
speisen. So wandeln zum Beispiel thermoelektrische Generatoren Wärme in Elektrizität, Piezoelemente wandeln mechanische
Vibration, Photovoltaik aus Sonnenlicht
(oder jede Photonenquelle) und galvanische
Elemente erzeugen Energie aus Feuchtigkeit.
Somit werden abgesetzte Sensoren möglich,
oder es können Speicher wie Kondensatoren
oder Dünnschichtbatterien aufgeladen werden, so dass man Mikroprozessoren oder
Transmitter in abgelegenen Orten mit loka-
len Quellen versorgen kann. Das wiederum
zeigt, dass die Energy-Harvesting-Produkte
von Linear in Frage kommen. ICs für diesen
Zweck müssen aber auch folgende Kriterien
erfüllen:
„ Niedrige Standby-Ruheströme – typisch
<6 µA bis 450 nA,
„ niedrige Start-up Spannungen – herunter
bis 20 mV,
„ hohe Eingangsspannung bis zu 34 V kontinuierlich und 40 V transient,
„ AC-Eingang,
„ Mehrfach-Ausgänge und unabhängiges
System-Power-Management,
„ Arbeiten an unterschiedlicher Polarität,
„ Maximum Power Point Control (MPPC)
bei Solarversorgung,
„ Energieernte aus geringen Temperaturunterschieden ab 1 °C,
STROMVERSORGUNGEN // ENERGY HARVESTING
Der LTC3331: eine komplett geregelte
Energy-Harvesting-Lösung, die bis
zu 50 mA kontinuierlichen Ausgangsstrom liefert und die Batterielaufzeit
verlängert, wenn keine Ernteenergie
verfügbar ist.
„ kompakte Lösungen mit nur wenigen
Komponenten.
Was sind die Herausforderungen beim Design von Produkten für die Umwandlung von
Ernteenergie? Wie ist Ihre Strategie?
Traditionell werden die verschiedenen
Sensortypen über Kabel versorgt. Heute jedoch ist es möglich, anstelle viele Kabel in
der Fabrik zu verlegen, zuverlässig passende
Sensoren drahtlos anzubinden, die dann
über viele Jahre von einer Batterie versorgt
werden oder mit Ernteenergie aus Quellen
wie Licht, Vibration oder Temperaturänderungen. Außerdem ist es möglich, Kombinationen aus aufladbaren Batterien und verschiedenen Ernteenergiequellen zu nutzen.
Zusätzlich ist es aus Sicherheitsgründen oft
erforderlich die aufladbaren Batterien nicht
über Kabel zu laden, sondern über drahtlose
Versorgungstechniken.
Moderne und verfügbare Energy-Harvesting- (EH) bzw. Energieernte-Technologien,
z.B. aus Vibration oder Solarzellen in Räumen, bieten unter normalen Bedingungen
Leistungspegel von Milliwatt. Das klingt
wenig, bei Betrieb über Jahre ist die aber vergleichbar mit Long-Life Primärbatterien bezüglich Energiebereitstellung und Kosten pro
Energieeinheit. Darüber hinaus laden Energieerntesysteme sich ständig nach der Installation, das ist mit Primärbatterien nicht
möglich, die müssen erneuert werden.
Trotzdem nutzen Systeme, die primär auf
Ernteenergie beruhen, zusätzlich eine Batterie, auf die umgeschaltet wird, wenn die Ern-
20
te ausfällt oder unterbrochen ist. Je nach
Endapplikation kommt dann eine aufladbare Batterie oder eine Primärzelle zum Einsatz,
die leicht und günstig austauschbar sein
sollte, was nicht immer möglich ist. Besser
ist es deshalb, Akkus einzusetzen. Dann stellen sich bei der Suche nach der optimalen
Lademethode folgende Fragen:
„ Kann über Kabel geladen werden?
„ Steht genügend Ernteenergie zur Verfügung, um das drahtlose Sensornetzwerk zu
versorgen und die Batterie zu laden?
„ Ist aus Sicherheitsgründen oder Umweltgegebenheiten (schwieriger Austausch)
drahtloses Laden erforderlich?
Egal, welche EH-Lösung angestrebt wird,
Linears Strategie bietet IC-Lösungen, die die
Anforderungen der WSN-Systemdesigner
erfüllen und die einfach und schnell deren
Wünsche erfüllen.
Welche PMICs eignen sich fürs drahtlose
Laden oder Energy Harvesting?
Linear Technology bietet speziell für diese
Zwecke zwei ICs an. Der erste ist der LTC3331,
ein EH-IC und Batterielaufzeit-Verlängerer.
Es handelt sich um eine komplett geregelte
EH-Lösung, die bis zu 50 mA kontinuierlichen Ausgangsstrom liefert und die Batterielaufzeit verlängert, wenn keine Ernteenergie verfügbar ist. Er benötigt für die geregelte Versorgung der Last keinen Strom von der
Batterie und nur 950 nA, wenn keine Last
anliegt. Der LTC3331 enthält eine Hochspannungs-EH-Versorgung und einen synchronen
Buck-Boost-DC/DC-Wandler, der von einer
aufladbaren Batterie versorgt wird, um unterbrechungsfreie Energie für EH-Applikationen wie WSNs zur Verfügung zu stellen.
Die EH-Versorgung des LTC3331 nutzt einen Vollbrückengleichrichter für den ACoder DC-Eingang, einen hocheffizienten
synchronen Buck-Wandler und kann Ernteenergie aus Quellen wie Piezoelementen
(AC), Solar (DC) oder Induktion (AC) gewinnen. Ein 10-mA-Shunt ermöglicht die einfache Ladung von Batterien mit Ernteenergie,
wobei mittels Schutzfunktion eine Tiefentladung verhindert wird. Die aufladbare Batterie versorgt den synchronen Buck-BoostWandler, der an Eingangsspannungen von
1,8 bis 5,5 V arbeitet und der verwendet wird,
wenn keine Ernteenergie zur Verfügung
steht, um den Ausgang zu regeln, wenn die
Eingangsspannung über, unter oder gleich
der Ausgangsspannung ist.
Das Batterielade-IC LTC3331 hat ein wichtiges Merkmal im Zusammenhang mit MikroPower-Quellen: Es enthält die Ladelogik, die
die Batterie nur dann lädt, wenn genügend
Ernteenergie vorhanden ist. Ohne diese Logik würde die EH-Quelle in der Startphase
an einem nicht optimalen Betriebspunkt
beharren und wäre nicht in der Lage, die Applikation in der Startphase korrekt zu versorgen. Der LTC3331 schaltet dagegen automatisch auf die Batterie, wenn keine Ernteenergie ansteht. Damit ergibt sich ein zusätzlicher Vorteil, der es Batterie betriebenen
WSNs ermöglicht, ihre Laufzeit von 10 auf
über 20 Jahre zu verlängern, wenn die passende EH-Quelle zu mindestens die Hälfte
der Zeit oder länger vorhanden ist. Es ist auch
ein Superkondensator-Balancierer integriert
für weitere Speicher am Ausgang. Zusätzlich
zu den EH-Optionen, profitiert das Internet
of Things (IoT) von der verbesserten drahtlosen Ladetechnik, da es Batterieladung da
ermöglicht, wo ein physikalischer Kontakt
nicht praktikabel ist.
Der zweite IC von Linear für drahtlose Ladeapplikationen ist der LTC4120. Zum effizienten Managen der Energieübertragung
unter allen Bedingungen integriert der drahtlose Energieempfänger LTC4120 eine Technologie von PowerbyProxi, einem Partner
von LT. Die patentierte Dynamic Harmonization Control, oder DHC-Technik von PowerbyProxi ermöglicht hocheffizientes kontaktloses Laden ohne thermischen oder elektrischen Stress im Empfänger. Damit lassen
sich bis zu 2 W über 1,0 cm übertragen. Durch
Veränderung der Resonanzfrequenz des
Empfängers von abgestimmt auf nicht abgestimmt liefert DHC auch im Worst-case genügend Energie ohne Probleme bei den Bestcase-Bedingungen. So können drahtlose
ELEKTRONIKPRAXIS Kompendium Power Design & Stromversorgungen September 2016
STROMVERSORGUNGEN // ENERGY HARVESTING
Ladesysteme über einen weiten Bereich von
Abständen arbeiten, auch wenn die Lage der
Spulen zueinander abweicht. Darüber hinaus vermeiden LTC4120-Systeme alle Interferenzprobleme, die eine Energielieferung
unterbrechen würden.
Bei Ein-Zellen-Li-Ionen-Akkus beträgt die
maximale Ladespannung 4,2 V und der maximale Ladestrom ist 400 mA, was die Leistung auf 1,7 W begrenzt. Bei zwei in Serie
geschalteten Lithium-Ionen-Akkus liegt diese Grenze bei 2 W (8,4 V maximale Ladespannung bis 240 mA maximaler Ladestrom). Die
Kennzahlen von Leistung, Effizienz, Abstand
und Größe bestimmen die Systemleistung,
und so kann ein auf dem LTC4120 basierendes drahtloses Powersystem bis zu 2 W in die
Batterie übertragen und dies über eine Entfernung von 1 cm, wenn eine der verschiedenen Sendeoptionen genutzt wird. Berechnungen der Effizienz variieren stark mit den
verwendeten Techniken und Komponenten.
Typischerweise erhält die Batterie 45% bis
55% der DC-Eingangsleistung, die in den
Sender eines LTC4120-basierten Systems gespeist wird.
Die von PowerbyProxi patentierte DHCAbstimmtechnologie im LTC4120 bietet große Vorteile gegenüber anderen drahtlosen
Powerlösungen. Entsprechend den Umgebungs- und Laständerungen variiert DHC
dynamisch die Resonanzfrequenz des Resonanztankkreises am Empfänger. DHC erzielt
so größere Übertragungseffizienz, ermöglicht so kleine Empfänger und einen größeren Übertragungsabstand. Im Gegensatz zu
anderen drahtlosen Powerübertragungslösungen ist das DHC-eigene Powerpegel-Management Teil des induktiven Übertragungs-
Der LTC4120: ein IC für drahtlose Ladeapplikationen zum effizienten Managen der Energieübertragung unter
allen möglichen Bedingungen
felds. Damit entfällt die Notwendigkeit eines
separaten Kommunikationskanals, um den
Empfänger zu erkennen oder Lastvariationen im Ladezyklus zu regeln. DHC löst alle
fundamentalen Probleme drahtloser Powersysteme. Jedes System muss so entwickelt
sein, dass es einen bestimmten Energiebetrag bei einer gegebenen maximalen Übertragungsentfernung empfängt. Jedes System
muss aber auch so aufgebaut sein, dass es
ohne Last bei der geringsten Übertragungsentfernung betrieben werden kann, ohne
Schaden zu nehmen. Wettbewerbsprodukte
lösen dieses Problem mithilfe eines komplizierten digitalen Kommunikationssystems,
das zusätzliche Komplexität und Kosten bedingt und die Übertragungsentfernung limitiert. Ein auf dem LTC4120 basierendes drahtloses Powersystem hingegen bewältigt dieses
Problem mittels der DHC-Technologie von
PowerbyProxi.
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STROMVERSORGUNGEN // WANDLER
Ein Chip ersetzt die konventionelle
Stromversorgung
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Die Schwachstelle bei der Beleuchtung mit LEDs ist die Treiberschaltung. Wir sprachen mit Wolfgang Endrich von euroLighting über die
Vorteile von treiberlosen LED-Leuchten.
Treiberlose LED: Wolfgang Endrich bietet über euroLighting eine Lösung, um die konventionelle Stromversorung zu ersetzen.
Mit der Gründung von euroLighting im Jahr
2009 sind Sie ins LED-Geschäft eingestiegen. Was war Ihre Motivation?
Ich bin seit über 40 Jahren in der Distribution für elektronische Bauelemente tätig.
Nach meinem Rücktritt als Geschäftsführer bei der Firma Endrich Bauelemente
Vertriebs GmbH habe ich die Geschäftsleitung an meine Tochter, Frau Dr. Christiane
Endrich, übergeben. Durch Zufall bekam
ich Kontakt mit einer Firma, die Straßenlampen fertigt. Diese hat mich vom Gebiet
der reinen Bauelemente-Distribution auf
die Vertriebsidee elektrischer Leuchtmittel
gebracht. Zunächst musste ich mich vom
22
Massengeschäft mit langen Lieferverträgen auf das Projektgeschäft umstellen,
wovon ich wenig Erfahrung hatte. Schwierig war es, weil wir für einen Nischenmarkt
die richtigen Produkte suchen mussten.
Warum gerade der Markt der LED-Beleuchtung?
LEDs verbreiten sich überall in der Beleuchtungstechnik. Heute sind RetrofitLampen als Ersatz für Energiesparlampen,
Neonröhren und andere Produkte kein
Thema mehr. Der Markt wächst derzeit mit
über zweistelligen Zuwachsraten. Mit unserer Firma fahren wir nun eine Doppel-
strategie: erstens der Vertrieb von Retrofitlampen, T8-Röhren, Lichtpanelen, Deckentiefstrahlern und mehr, alles auf
LED-Basis, und zweitens das Angebot von
fertigen AC-Modulen, die Schaltung und
LEDs auf einer Platine vereinen. Ein Hersteller in Ostasien hatte einen neuartigen
Chip entwickelt, mit dem sich die konventionellen Stromversorgungen ersetzen
lassen. Konventionelle Stromversorgungen sind voluminös, unhandlich und relativ teuer und besitzen einen eigenen
Stromverbrauch von ungefähr 15 Prozent
bezogen auf die Gesamtleistung. In unseren AC-Modulen sind keine Elektrolytkondensatoren oder andere Bauelemente
enthalten.
Welche Neuerungen gibt es bei den D-COBModulen mit iherer treiberlosen AC-Technik?
Wir haben kürzlich die zweite Generation
der D-COB-Module in treiberloser Technik
vorgestellt und liefern diese seit Mai in
Serie. Es wird nicht nur der Chip auf die
Leiterplatte gelötet, sondern die Dice des
speziellen IC-Chips wird direkt auf die Leiterplatte gebondet. Damit lässt sich die
gesamte Schaltung am Rande der Leiterplatte unterbringen. Diese rundum geführte Schaltung wird dann mit Epoxy vergossen. Mit einer neuen Plastikabdeckung
lassen sich die AC-Module abdecken und
erreichen damit Schutzklasse II.
Was unterscheidet Ihr Angebot von vergleichbaren Produkten?
Wir sind derzeit an der Spitze der Entwicklung mit unserer AC-Schaltung und unseren ICs. Der wesentliche Unterschied besteht in zwei Punkten: Erstens die Dimmbarkeit jeder AC-Schaltung von 10 bis 100
Prozent und zweitens die Verteilung der
IC-Chips am Rand der Leiterplatte. Somit
ist die Schaltung nicht nur an einem Punkt
konzentriert und es kann zu keinen thermischen Problemen kommen. Durch die
Anordnung am Rand wird die Wärmeent-
ELEKTRONIKPRAXIS Kompendium Power Design & Stromversorgungen September 2016
STROMVERSORGUNGEN // WANDLER
wicklung gleichmäßig über die ganze Fläche verteilt. Mit einer Wärmebildkamera
lässt sich sehr genau nachweisen, dass
unsere Platinen eine gleichmäßige Erwärmung durch die LEDs und die Schaltung
erfahren.
Standard-Modulen bieten wir kundenspezifische Lösungen. In unserem Entwicklungsbüro in Deutschland werden Schaltung und Layout erstellt und die fertige
Schaltung dann in Ostasien in unserem
Auftrag produziert.
Lassen sich mit der neuen AC-Technik auch
Kosten einsparen?
Es sind nicht nur die Kosten für die Power
Supply und die Montage, die eingespart
werden, sondern es zählen auch die in
Geld nicht messbaren Vorteile durch die
kleine Bauweise. Ein Kunde, der Netzteile
mit Leistungen von 10 bis 20 W einsetzt,
könnte bereits bei Bezug unserer Module
nennenswerte Beträge einsparen. Das
wirkt sich natürlich bei Großserien entsprechend vorteilhaft aus.
Wo geht Ihrer Meinung nach die Entwicklung
der LED hin?
Der Trend geht klar zu höheren Lumen/
Watt-Leistungen. Derzeit werden 130 lm/W
als normal angesehen und dazu eine Steigerung des Farbwiedergabeindex in Richtung CRI >90.
In welchen Anwendungen kommen die Platinen zum Einsatz?
Wir haben bisher Lösungen für Tischlampen, Stehlampen, Strahler und Hochleistungsstrahler bis 200 W entwickelt. Neben
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Welche Referenzprojekte gibt es bereits mit
Ihren LEDs?
Wir haben mehrere Referenzprojekte am
Laufen, unter anderem bei einem bekannten Lampendesigner. Auch bei anderen
namhaften Lampenherstellern in Deutschland und im Ausland sind unsere Produkte im Einsatz. Wenn ein Kunde sich einmal
mit unserer Technik befasst hat, ist er fasziniert und kommt nicht mehr davon los.
Sechs Jahre euroLighting – wo sehen Sie das
Unternehmen zum 10-jährigen Jubiläum?
Wir stellen konsequent alle unsere LEDVertriebsprodukte auf die neue AC-Technik
um. Dazu gehören beispielsweise auch
Straßenlampen, T8-Röhren, Flächenleuchten, Deckenleuchten, Retrofitlampen, Deckentiefstrahler und andere Produkte. Wir wollen mit neuester Technik an
der Spitze der Entwicklung zu stehen.
Dafür sind wir gerne bereit, mit Lampenherstellern unterschiedliche Kooperationen einzugehen, um dieser Technik zu
einer schnellen Verbreitung auf dem Markt
zu verhelfen. Mit diesem Schritt erhoffen
wir uns, Umsätze im zweistelligen Millionenbereich zu erzielen und damit ein leistungsfähiges Mitglied in unserer Firmengruppe zu werden.
Das ausführliche Interview mit Wolfgang
Endrich über die treiberlose LED-Technik
lesen Sie hier: http://goo.gl/az43i0 // HEH
STROMVERSORGUNGEN // BATTERIEN & LADEKONZEPTE
TÜV-geprüfte Bleibatterien halten
Windräder immer auf Kurs
visdia-Fotolia.com / Yuasa
Für einen problemlosen Betrieb von Windkraftanlagen auch im
Störungsfall sorgen Sicherheitsvorkehrungen wie das batterie­
gestützte Pitch­System, das die Rotorblätter optimal ausrichtet.
Windkraftanlagen im Betrieb: Bleibatterien sorgen dafür, dass die Rotorflügel auch im Störungsfall immer
optimal ausgerichtet sind.
W
indkraftanlagen
produzieren
Strom aus erneuerbaren Energiequellen. Da sie vielerlei Einflüssen
ausgesetzt sind, ist jede Turbine mit Sicherheitssystemen ausgestattet, die den problemlosen Betrieb gewährleisten. Eines davon ist
das batteriegestützte Pitch-System. Raphael
Eckert, Group Sales Manager Yuasa Battery
(Europe) GmbH, beschreibt die Aufgaben der
Bleibatterien in solchen Systemen und erklärt, warum sie sich für diese Anwendung
hervorragend eignen.
können. Dafür gibt verschiedene Lösungen, z.B. das batteriegestützte Pitch-System. Es sorgt dafür, dass die Rotorblätter
über ihre Stellung die optimale Drehgeschwindigkeit erreichen. Fällt die Spannung aus, liefert die Batterie den Strom,
um die Rotorblätter in den Wind zu drehen
oder den Rotor zu stoppen bzw. auf eine
ungefährliche Drehzahl zu bringen. Für
diesen anspruchsvollen Einsatz bietet
Yuasa u.a. die Batterie-Typen NP7-12 und
NPH5-12 an.
ELEKTRONIKPRAXIS: Welche Aufgabe erfüllen Bleibatterien in Windkraftanlagen?
Raphael Eckert: Um den Betrieb einer
Windturbine sicherzustellen, muss bei
einem Spannungsausfall gewährleistet
sein, dass die Rotorblätter in die sogenannte Fahnenstellung geführt werden
Welche Eigenschaften haben diese BatterieTypen?
Beide Typen sind 3- bis 5-Jahres-Batterien
nach Eurobat und passen sich somit jedem
Servicezyklus an, d.h. die Gebrauchsdauer ist so hoch, dass bei normalem Betrieb
kein außerordentlicher Austausch not-
24
wendig ist, der insbesondere im OffshoreBereich sehr kostspielig ist. Die Batterien
werden ab Lager Yuasa Düsseldorf nur
ausgeliefert, wenn sie geladen und voll
betriebsbereit sind. Zudem testen wir die
Batterien hinsichtlich der kurzen, aber
doch sehr hohen Entladeströme, die PitchSysteme im Notfall ziehen. Beide Typen
sind dafür ausgelegt. Gefertigt werden
Yuasa-Batterien wie die Typen NP7-12 und
NPH5-12 nur in eigenen Werken. Dies und
die hohe Fertigungstiefe sichern eine kontinuierliche und reproduzierbare Qualität
auch bei großen Stückzahlen. Das bedeutet Prozesssicherheit für den Kunden.
Was macht diese Yuasa-Batterien für Windkraftanlagen so besonders?
Batterien sind beim Einsatz in Windkraftanlagen ganz besonderen Belastungen
ausgesetzt. Sie sind in der Spitze des Rotors in sogenannten Trögen verbaut, wobei
jeder Trog für ein Rotorblatt verantwortlich
ist. Man kann sich nun vorstellen, dass es
in dieser Höhe auch bei schwachem Wind
sehr ungemütlich zugeht. So sind die Batterien enormen Vibrationen und auch kurzen Stößen, also Schocks ausgesetzt. Um
die Eignung von Batterien sicherzustellen,
orientieren sich die Hersteller von batteriegestützten Pitch-System an den Normen
DIN EN 60068-2-6:2008, DIN EN 61373:2011
und DIN EN 60068-2-27:1995. Auch an
Yuasa wurde diese Anforderung gestellt.
Diese Normen sind inhouse nur sehr
schwer zu testen. Allerdings haben wir uns
nicht deshalb für einen unabhängigen Test
durch den TÜV entschieden, sondern weil
uns dies hinsichtlich der Glaubwürdigkeit
und der Professionalität am sinnvollsten
erschien. Die Tests sind schon seit längerem abgeschlossen, und die frei verfügbaren Zertifikate nicht nur in der Windenergie von Nutzen. Fakt ist: Wir sind zurzeit
der einzige Hersteller, der durch den TÜV
für Batterien dieser Art und für diese spe-
ELEKTRONIKPRAXIS Kompendium Power Design & Stromversorgungen September 2016
STROMVERSORGUNGEN // BATTERIEN & LADEKONZEPTE
zielle Anwendung den Nachweis zur Prüfung nach diesen Normen erbringt.
fangreiche Erfahrungen und ist deshalb
ein idealer Partner für uns.
Ist die Wartung und Lagerung der Batterien
kompliziert?
Nein, überhaupt nicht. Beide Typen sind
VRLA-Batterien, also quasi wartungsfrei.
Durch die fast 100%-ige Rekombinationsfähigkeit ist die Gasung dieser Batterietypen mit der vorgeschriebenen Ladetechnik
nur minimal. Außerdem verfügen die Batterien über ein sehr breites Temperaturspektrum bei Ladung, Entladung und Lagerung. Unsere Batterien dürfen in jeder
beliebigen Lage außer dauerhaft über Kopf
betrieben werden. Ihre Gehäuse sind aus
schlagfestem ABS-Kunststoff gefertigt.
Welchen Vorteil haben Industriekunden mit
dem Erwerb von Yuasa-Batterien?
Standard-Bleibatterien sind heute an jeder
Ecke erhältlich und jeden Tag bietet ein
neuer Importeur unter einem FantasieMarkennamen eine noch billigere Variante an. Auf den ersten Blick sehen alle gleich
aus: Eine Box mit Plus- und Minus-Pol,
und es kommt Strom heraus. Der Unterschied zwischen Billigprodukt und Qualitätsmarke zeigt sich bei Fragen wie diesen
schnell: Wie verhalten sich die Batterien
langfristig, wie bei Temperaturschwankungen? Was passiert bei Parallelschaltung? Was geschieht bei massiver mechanischer Belastung, etwa beim Einsatz in
Windturbinen? Und wie steht es mit dem
technischen Support? Auf diese und alle
anderen Fragen hat Yuasa eine Antwort.
Deshalb vertrauen viele namhafte Anwender weltweit auf unsere Produkte. // TK
Wie gewährleisten Sie Ihre gute Qualität?
Allein für den Europäischen Markt werden
die Industriebatterien in sechs eigenen
Werken, u.a. in Japan, Taiwan, China und
Großbritannien, produziert. Alle diese
Werke haben eine sehr hohe Fertigungstiefe, d.h. die sensiblen Komponenten der
Batterie stellen wir selbst her. Die Qualitätskontrolle findet bei jedem Fertigungs-
Raphael Eckert: „Unsere Bleibatterien sorgen in
den Pitch-Systemen von Windkraftanlagen für einen
problemlosen Betrieb.“
schritt statt, sodass fehlerhafte Batterien
erst gar nicht die Endkontrolle erreichen.
Zusätzlich sind die Werke alle nach ISO
9001 und 14001 zertifiziert. Dies alles führt
zu einer dauerhaft reproduzierbaren Qualität auch bei sehr hohen Stückzahlen. Im
Bereich Windenergie pflegen wir eine enge
Kooperation mit der Fey Elektronik GmbH.
Fey ist nicht nur offizieller Distributor von
Yuasa, sondern verfügt in diesem Marktsegment auch über langjährige und um-
Yuasa
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STROMVERSORGUNGEN // MESSTECHNIK
Eine Aussage über die Qualität
der Stromversorgung
Mit Oszilloskop und Tastkopf lassen sich Stromversorgungen auch
unter Spannung messen und eine Aussage über eine saubere
Versorgungsspannung machen.
dataTec
KLAUS HÖING *
Qualität der Stromversorgung: Zusammen mit der Infiniium S-Serie und dem aktiven Tastkopf Power-RailSystem N7020A (beide Keysight) lassen sich Stromversorgungen unter Spannung untersuchen.
W
er elektronische Geräte entwickelt,
muss besonders auf die Stromversorgung achten. Denn viele Geräte
enthalten einen Mikrocontroller, der einerseits empfindlich auf Störungen reagiert,
andererseits durch seine Taktung Störung
auf die Versorgungsleitungen initiiert. Geräte aus Haushalt, Automobil, Medizin, des
Internet of Things, Smartphones und alle
Steuerungen und Regelungen im industriellen Umfeld fordern eine saubere Versor-
* Klaus Höing
... ist für die Öffentlichkeitsarbeit bei
dem Messtechnik-Distributor dataTec
in Reutlingen zuständig.
26
gungsspannung. Und eine wesentliche Voraussetzung ist, dass das Leistungs-Verteilungs-Netzwerk in der Geräteentwicklung
beachtet wird. Um Aussagen über die Reinheit der Stromversorgung zu machen, werden oft Oszilloskope verwendet. Dabei ist es
wichtig, dass man sich über ein paar Prinzipien im Klaren ist und danach die richtigen
Werkzeuge wählt.
In der Elektronik-Industrie gibt es den feststehenden Begriff der Power Integrity oder
auf Deutsch der Leistungsintegrität. Der Begriff beschreibt, wie effektiv und sauber die
Versorgungsspannung der Geräte zur Verfügung gestellt wird. Die Versorgungsleistung
wird dann in einem Gerät durch das Power
Distribution Network an die einzelnen Mo-
dule und darin an die einzelnen ICs
und Komponenten verteilt. Daraus
werden dann die Anforderungen an
die Messtechnik gestellt: Gemessen
wird von 0 Hz bis in GHz-Bereich.
Hier spielt das Periodic and Random Deviation (PARD) oder auf
Deutsch die periodische und zufällige Abweichung eine wichtige Rolle. Das ist die Abweichung vom
Mittelwert der Soll-Gleichspannung und ist ein gebräuchlicher
Begriff in der Industrie (Bild 1).
Gemessen wird die unerwünschte Abweichung, die der Gleichspannung überlagert ist und von der
Netzwechselspannung und Rauschanteile nach der Spannungsregelung und Filterung herrühren.
Der Wert wird als Effektivwert oder
als Spitze-Spitze-Wert angegeben, wobei die SpitzeSpitze-Angabe
für
Werte im unteren
Frequenzbereich
von 20 Hz bis ungefähr 20 MHz
genutzt wird. Werte
unterhalb der 20-Hz-Grenze werden als Drift
bezeichnet.
Saubere Signale bei einer
Stromversorgung messen
Obwohl eine saubere Versorgungsspannungen gefordert wird, haben sich die
Schaltgeschwindigkeiten, Taktfrequenzen
und die Packungsdichte der Schaltungen
erhöht. Dadurch haben sich Takt und DatenJitter erhöht. Ein kurzer Spannungseinbruch
verzögert die Datenübertragung. Es kommt
zu kürzeren Zeit-Toleranzen beim Design, um
Bit-Fehler zu vermeiden. Zusammen führt
das zu Toleranzen für die Spannungsversorgung von 5 Prozent. Nachdem die Schaltgeschwindigkeiten in digitalen Systemen erhöht wurden und damit auch die Flankens-
ELEKTRONIKPRAXIS Kompendium Power Design & Stromversorgungen September 2016
STROMVERSORGUNGEN // MESSTECHNIK
... scannen und
Short-Movie sehen
Bild 1: Die periodischen und zufälligen Abweichungen einer Versorgungsspannung idealisiert dargestellt.
teilheiten, erhöht sich das Rauschen im Power Distribution Network und kann dabei
Frequenzen von 1 GHz leicht überschreiten.
Reduzierte Signalamplituden in digitalen
Systemen ermöglichen es, die Schaltgeschwindigkeiten zu erhöhen. Allerdings setzt
das reduzierte Rauschpegel voraus. Der verbesserte Wirkungsgrad erfordert geringere
Toleranzbänder bei der nominellen Versorgungsspannung, um Energie zu sparen. Damit einhergehend sind geringere Driften,
Spannungsspitzen und geringeres Rauschen
erforderlich.
Ein Gaussscher Rauschanteil lässt sich
nicht verhindern. Er entsteht durch das thermische Rauschen der Elektronenbewegung
in den Leitern. Das ist allerdings nicht der
größte Rauschanteil. Der größte Anteil
kommt von dem Schaltnetzteil selbst und die
Anteile, die durch die Stromveränderungen
von den geschalteten elektronischen Modulen und ICs verursacht werden. Das Rauschen des Schaltnetzteils korrespondiert mit
den im Schaltnetzteil vorherrschenden
Schaltfrequenzen und den Harmonischen.
Mit einem Oszilloskop lässt sich auf die
Schaltfrequenz des Schaltnetzteils oder auf
die Taktsignale des Moduls triggern. Nun
haben Echtzeit- oder Breitband-Oszilloskope
ein Eigenrauschen genauso wie die verwendeten Tastköpfe. Sind beide Rauschanteile
gleich groß, so lassen sie sich nicht voneinander trennen.
Auch die Dynamik ist nicht trivial, wenn
das Rauschen gemessen werden soll. Das
Gleichspannungsnetzteil hat einen beliebigen (geforderten) Gleichanteil, der von einer
AC-Rauschspannung überlagert ist. Der hat
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Bild 2: Basisrauschen bei den Oszilloskopen der S-Serie mit unterschiedlichen Bandbreiten und dem Tastkopf N7020A. Dieser wurde speziell entwickelt, um an Gleichspannungsnetzteilen zu messen.
ELEKTRONIKPRAXIS Kompendium Power Design & Stromversorgungen September 2016
27
STROMVERSORGUNGEN // MESSTECHNIK
Bild 3: Vergleich der Rauschpegel mit zwei unterschiedlichen Abschwächern 1:1 und
10:1 bei Messung einer SinusSpannung von 50 mVss.
einen geringeren Pegel als die DC-Spannung.
So wird das Oszilloskop auf eine höhere vertikale Empfindlichkeit eingestellt, um das
Rauschen genauer zu analysieren. Das Scope
kann nicht immer den DC-Level kompensieren. Eine höhere Scope-Empfindlichkeit reduziert nicht zwangsläufig den Eingenrauschanteil des Scopes.
10 Tipps, die Spannung einer
Stromversorgung zu messen
1. Messpfad mit geringem Rauschen: Will
man das Rauschen auf der Gleichspannung
beobachten, so soll das Rauschen des Oszilloskops so klein wie möglich sein. Bei den
meisten Oszilloskopen lässt sich die Eingangsimpedanz zwischen 50 Ω oder 1 MΩ
umschalten. Dabei hat der 50-Ω-Pfad ein
geringeres Rauschen als der 1-MΩ-Pfad. Das
lässt sich überprüfen, indem der Eingang der
Tastspitze und die Bezugsmasse miteinander
kurzgeschlossen werden. Diese Nullmessung
ist zu empfehlen. Man bekommt einen
Rauschpegel angezeigt, der sich mit dem
späteren Messwert für das Rauschsignal des
Netzgerätes vergleichen lässt. Allerdings
müssen die Einstellungen des Scopes und
der Tastspitze der späteren Messung entsprechen. Verwendet man einen differenziellen
Tastkopf, müssen die beiden Eingänge miteinander kurz geschlossen werden.
2. Bandbreite begrenzen, um Rauschen zu
reduzieren: Nicht immer ist eine große Bandbreite von Vorteil. Wird die Bandbreite des
Oszilloskops und der Tastspitze soweit für
die notwendige Messung reduziert, wird
auch die Rauschspannung reduziert, die bei
der Messung zum Tragen kommt. Das Bild 2
zeigt eine vergleichende Messung. Angewandt wurde die Nullmessung und einem
Oszilloskop der S-Serie von Keysight (10 Bit
A/D-Wandler, 20 GS/s) mit unterschiedlichen
Bild 4: Der Vergleich der beiden Messungen zeigt, dass durch den Blockkondensator sehr langsame Änderungen der Ausgangsspannung (Drift) nicht erkannt werden können. Beim Tastkopf mit Offsetkompensation
sind sie sichtbar.
28
Bandbreiten und dem 1:1-Tastkopf N7020A (2
GHz, 1:1 Abschwächung). Der Tastkopf ist
speziell für Messungen an DC-Netzteilen. Das
Ergebnis zeigt die Tabelle.
3. Tastkopf mit Abschwächung 1:1: Das Bild
3 zeigt die gleichzeitige Messung von einem
Sinunssignal mit 20 MHz und 50 mVss. Einmal gemessen mit einem 10:1-Tastkopf und
einem 1:1-Tastkopf. Einziger Unterschied ist
das Abschwächerverhältnis. Die Spannung
bei dem 1:1-Tastkopf beträgt 52 mVss, während
beim 1:10-Tastkopf die Spannung 65 mVss
beträgt. Die höhere Abschwächung überhöht
die Messung mit einem um 25 Prozent höheren Wert. Gründe sind ein höherer Abschwächungsfaktor und der bewerteten Zuordnung
in der Anzeige. Problematisch sind kleine
Signal, wenn das Oszilloskop- und Tastkopfrauschen nicht berücksichtigt wird. Zum
Messen der Rauschpegel sollte ein 1:1-Tastkopf herangezogen werden.
4. Offset-Einstellung des Tastkopfes: Die
Offset-Einstellung einer aktiven Tastspitze
ermöglicht es, den DC-Anteil eines Signals
zu kompensieren. Das hilft, wenn kleine
Wechselspannungen vermessen werden, die
dem Gleichspannungssignal überlagert sind.
In einem Versuch wurde das Rauschen auf
einer Versorgungsspannung von 1,5 V gemessen. Es zeigte sich, dass die Ergebnisse einmal mit und ohne Offsetkompensation durch
den Tastkopf abweichen. Der Grund für den
Unterschied ist die unterschiedliche Abschwächung durch das Oszilloskop bei größeren Empfindlichkeits-Einstellungen (V/
div). Doch Vorsicht: Viele der aktiven Tastköpfe, die eine Offset-Kompensation bieten,
haben einen Abschwächungsfaktor ungleich
1:1. Das widerspricht dem Ziel, das Systemrauschen des Scopes zu reduzieren. Der Power-Rail-Tastkopf N7020A von Keysight hat
ein 1:1-Tastverhältnis und kompensiert DCSpannungen von ±24 V.
5. DC-Block-Kondensatoren nur begrenzt
anwenden: Ein Block-Kondensator bietet
eine große Kapazität und wird in Serie zum
Eingang des Oszilloskops geschaltet. Der
Vorteil: Signalgleichanteile werden unterdrückt und der AC-Anteil und die Empfindlichkeit des Oszilloskops lässt sich steigern.
Sehr kleine Signalfrequenzen werden unterdrückt. Das Bild 4 zeigt eine 5-V-Versorgung
mit einem Block-Kondensator. Gemessen
wird mit dem Tastkopf N7020A und DC-Kompensation. Der Blockkondensator unterdrückt die niederfrequenten Änderungen,
was zu Fehlinterpretationen führen kann.
6. Netzteilbelastung durch Oszilloskop
und Tastkopf reduzieren: Wird ein Netzteil
mit einer Tastspitze gemessen, so beeinflusst
der Kontakt das zu messende Signal. Schließt
ELEKTRONIKPRAXIS Kompendium Power Design & Stromversorgungen September 2016
STROMVERSORGUNGEN // MESSTECHNIK
Bild 5: Eine FFT gibt Aufschluss über die einzelnen
Rauschanteile. Der 2,8-MHzTakt des Converters und die
beiden im System verwendeten Takte von 10 und 125 MHz.
man ein 50-Ohm-Kabel an und dieses mit
dem 50-Ohm-Eingang des Oszilloskops verbunden, so belastet das bereits das Netzteil.
Das zu messende Ausgangssignal wird deutlich verändert. Eine 50-Ω-Leitung reduziert
das Rauschen, stellt aber eine erhebliche
Belastung dar. Bei einem 3,3-V-Netzteil ist
das eine Last von 66 mA. Eine Alternative ist
ein Tastkopf, der nur eine Belastung von 50
kΩ darstellt.
7. FFT bei einem Netzteil? Eine FFT macht
periodisch auftretende Störungen sichtbar.
Zudem sieht man, ob es sich um einen Takt
der Digitalschaltung handelt oder um die
Schaltfrequenz des Netzteil-Konverters. Im
Bild 5 ist die Grundwelle von 2,8 MHz und
ihre Harmonische zu erkennen. Ebenso sind
die beiden verwendeten Taktfrequenzen von
10 und 125 MHz zu sehen. Der Power-RailTastkopf auf einem Teilverhältnis von 1:1,
eine Offset-Kompensation von 3,3 V und eine
Tastkopf-Bandbreite von 500 MHz zeigen die
Störer. Die anderen beiden Taktsignale sind
erst mit einer FFT erkennbar.
8. Die richtige Triggerbedingung wählen:
Um die richtigen Störsignalkomponenten zu
erkennen, lässt sich auf die bekannten Takte
triggern. Damit steht dann das angezeigte
Bild mit dem jeweiligen Takt. Das Beispiel
der 3,3-V-Versorgung sei nochmals genutzt.
NULLMESSUNG
BANDBREITE
VPP
VRMS
2 GHz
1,040 μV
110 μV
1 GHz
860 μV
90 μV
500 MHz
800 μV
80 μV
20 MHz
460 μV
60 μV
Tabelle: Rauschspannung Spitze-Spitze und RMS
einer Nullmessung aufgenommen mit unterschiedlichen Bandbreiten des baugleichen Oszilloskops.
Wie oben kann man über die FFT die Rauschsignal-Frequenz bestimmen. Wird die Durchschnittswertbildung aktiviert, reduzieren
sich alle anderen Störsignalfrequenzen.
9. Für ausreichend Bandbreite sorgen:
Unter Punkt 2 wurde gezeigt, wie die Bandbreite zu limitieren ist, um den Rauschpegel
zu senken. Allerdings kann eine zu stark
reduzierte Bandbreite die Sicht auf die
Rausch-Realität verzerren. Transienten und
zufälliges Rauschen werden unterdrückt.
Diese beeinflussen aber digitale Schaltungen
und führen zu Aussetzern. So können geschaltete Ströme, ausgelöst durch den Takt
oder durch das Schalten von Daten, zu erheblichem Rauschen auf den Versorgungsnetzleitungen führen. Entscheidend ist daher die Wahl des richtigen Tastkopfes mit der
entsprechenden Bandbreite.
10. Der Power-Rail-Tastkopf N7020A: Die
Punkte 1 bis 9 sollen es dem Ingenieur erleichtern, die richtige Auswahl eines Tastkopfes und die richtige Einstellung des Scops
vorzunehmen. Es gibt Hilfsmittel, die speziell dafür entwickelt wurden, eine Aussage
über die Reinheit der Versorgungsspannung
zu treffen. Dazu gehört beispielsweise der
aktive Tastkopf N70201A. Er kompensiert
eine Offsetspannung von ±24 V (Punkt 4).
Das reicht für die meisten elektronischen
Schaltungen.
Mit einem Eingangsteiler von 1:1 (Punkt 3)
und einer Bandbreite von 2 GHz (Punkt 7)
lassen sich Transienten erfassen. Andererseits kann die Bandbreite begrenzt werden,
um Rauschen zu verringern (Punkt 2), wenn
Transienten nicht untersucht werden sollen
und eine Bandbreite von 2 GHz nicht benötigt
wird. Seine Ausgangsimpedanz beträgt 50 Ω
(Punkt 1).
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ELEKTRONIKPRAXIS Kompendium Power Design & Stromversorgungen September 2016
29
S C H U K AT
STROMVERSORGUNGEN // WANDLER
Schalten bei Nullspannung
revolutioniert Abwärtswandler
Wenn eine Busspannung von z.B. 48 V auf wenige Volt heruntergesetzt
werden soll, sind mit herkömmlichen Wandlern mehrere Stufen nötig.
Einfacher geht es mit der neuen ZVS-Buck-Technologie.
ROBERT GENDRON *
I
* Robert Gendron
... ist Vice President, Semiconductor
Power Solutions, Vicor.
30
Die DC-DC-Wandler-Familie PI33XX:
Das SiP-Gehäuse enthält die
ZVS-Topologie und die
Controller-Architektur,
sodass für den Aufbau eines kompletten Wandlers
nur noch eine Ausgangsdrossel sowie einige wenige Keramikkondensatoren
benötigt werden.
Vi
co
r
n typischen POL-Applikationen (Point-ofLoad) wird aus einer Zwischenkreisspannung von 12 V oder niedriger eine geregelte Versorgungsspannung von wenigen Volt, immer häufiger auch
unter 1 V erzeugt. Für Verbraucher mit hohem Strombedarf wie
Prozessoren oder FPGAs hätten
Systementwickler gerne eine stabile und geregelte
Versorgung, die direkt aus der Busspannung von typischerweise 48 V erzeugt wird. Mit konventionellen Wandlern ist dies nicht
möglich, da der hohe Übersetzungsfaktor zu einem sprunghaften Anstieg der
Verluste führt. Eine zwei- oder mehrstufige
Wandlerkette war daher bislang die übliche
Lösung. Diese erhöhten Verluste bei einem
großen Verhältnis zwischen Ein- und Ausgangsspannung stammen hauptsächlich
vom harten Schalten der MOSFETs bei hohen
Strömen und Spannungen. Eine neue BuckTechnologie auf Basis des Zero Voltage Switching (ZVS) reduziert die Verluste in mehrerer Hinsicht. Es werden nicht nur die Verluste beim Schalten, sondern auch die bei der
Gate-Ansteuerung reduziert und es entfallen
die Leitungsverluste in der FET-Body-Diode.
Diese niPOL (non-isolated POL-Regler)
profitierten von Verbesserungen in der Gehäusetechnologie, der Siliziumintegration
und der MOSFET-Technologie. Während bestehende Lösungen sehr gut über einen engen Eingangsspannungsbereich arbeiten,
sinken Wirkungsgrad und maximale Leistung normalerweise etwas bei einem Übersetzungsverhältnis von 10:1 oder 12:1. Durch
die systembedingten Verluste hart geschalteter Regler sinken diese beiden Werte dramatisch bei einem weiten Eingangsspannungsbereich und Übersetzungsverhältnissen von bis zu 36:1. Die Verluste in konventionellen Wandlern werden von verschiedenen
Quellen verursacht. Hauptfaktoren sind jedoch hartes Schalten, Leitungsverluste der
Body-Diode und die Gate-Ansteuerung, wie
sie hier beschrieben werden.
Schalten bei hohem Stromfluss
und hoher Spannung
Hoher Stromfluss zeitgleich mit dem Anliegen einer hohen Spannung: eine Situation, die während des Einschaltens auftritt
und Verluste bewirkt, die proportional zu
Taktfrequenz und Spannung sind. Verbesserungen in der MOSFET-Technologie sowie in
Sachen Schaltgeschwindigkeit reduzieren
den Zeitraum, in dem Strom und Spannung
gleichzeitig anliegen. Dies bewirkt jedoch
andere Probleme. Das harte Schalten erzeugt
üblicherweise Spitzen, Oszillationen
und erhöhte elektromagnetische Interferenzen. Dieser Ansatz verliert an
Attraktivität bei einem breiteren Eingangsspannungsbereich und den damit verbundenen höheren Spannungen oder Frequenzen.
Die Verluste in der Body-Diode des Synchronschalters treten auf, da es normalerweise zu einem Stromfluss kommt, wenn der
Synchron-MOSFET ausschaltet bevor der
obere Schalter einschaltet. Dies bedeutet,
dass die während des Stromflusses gespeicherte Energie ausgeräumt werden muss
(Reverse Recovery), bevor die Diode eine
rückwärts gerichtete Spannung wieder sperren kann. Dies bedingt ebenfalls zur Taktfrequenz proportionale Verluste. Jeder Wechsel
des MOSFET-Zustandes benötigt auch von
der Gate-Ansteuerung eine Leistung, die für
jede Zustandsänderung identisch ist. Das
bedeutet auch hier: direkt von der Taktfrequenz abhängige Verluste.
Die ZVS-Buck-Topologie ist identisch mit
einem konventionellen Buck-Regler – mit
Ausnahme des zusätzlichen Klemmschalters
über der Ausgangsdrossel. Die in der Drossel
gespeicherte Energie wird genutzt, um ein
Schalten bei Nullspannung zu bewerkstelligen. Der ZVS-Schaltzyklus (Bild 1) umfasst
drei Hauptzustände: Q1–Ein, Q2–Ein und die
Klemmphase. Nach dem Einschalten von Q1
steigt der Strom durch die Ausgangsinduktivität von Null auf einen Maximalwert, der
durch die Einschaltzeit von Q1, die Spannung
über der Drossel (Vin – Vout) und die Indukti-
ELEKTRONIKPRAXIS Kompendium Power Design & Stromversorgungen September 2016
STROMVERSORGUNGEN // WANDLER
ZUHÖRER.
Bild 1: Wie das Zeitdiagramm zeigt, umfasst
der ZVS-Schaltzyklus
die drei Hauptzustände Q1–Ein, Q2–Ein
sowie Klemmphase.
vität bestimmt wird. In der Drossel wird Energie gespeichert und der Ausgangskondensator wird geladen. Während dieser Phase tritt
der größte Anteil der Verlustleistung im Rdson
des MOSFETs auf.
Danach schaltet Q1 schnell aus, Q2 schaltet
ein und agiert als Freilaufdiode für den Fluss
der in der Drossel gespeicherten Energie zur
Last und zum Ausgangskondensator. Durch
die L-C-Serienschaltung sinkt der anfängliche Strom gemäß den Schwingkreiseigenschaften und wird sich zu einem bestimmten
Zeitpunkt umkehren. Wenn Q1 abschaltet
entstehen Verluste, die proportional zu dem
maximalen Strom in der Induktivität sind.
Die ZVS-Buck-Topologie
arbeitet im lückenden Betrieb
Die ZVS-Buck-Topologie arbeitet grundsätzlich im lückenden Betrieb. Ein wichtiger
Punkt jedoch ist, dass der Synchron-MOSFET
Q2 für eine längere Zeit als erwartet im ON-
Wir haben immer ein offenes
Ohr für unsere Kunden
Kunden.
Interessiert. Ehrlich. Hilfsbereit.
Zustand bleibt, und zwar über den Zeitpunkt
hinaus, bei dem der Strom zu Null wird und
sich dann umkehrt. In dieser kurzen Zeit des
Rückstromes wird etwas Energie in der Drossel gespeichert. Die Steuerschaltung des
Wandlers bestimmt die Höhe der gespeicherten Energie gemäß der für den nächsten Zyklus benötigten Menge. Dies wird durch
verschiedene Parameter bestimmt, u.a. auch
durch Eingangsspannung und Ausgangslast.
Wenn der Synchron MOSFET letztendlich
abschaltet, schaltet der Klemmschalter ein,
lässt den Strom der Drossel weiterfließen
und erhält damit die in der vorherigen Phase
gespeicherte Energie, bevor der nächste
Schaltzyklus beginnt. Man sollte beachten,
dass während dieser Klemmphase Q2 ausgeschaltet ist, es kommt als nicht zum Stromfluss in der Body-Diode und damit auch zu
keinen Verlusten durch das Ausräumen von
Ladungsträgern. Am Ende der Klemmphase
wird der Klemmschalter wieder geöffnet. Die
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Bild 2: Die konventionelle Buck-Regler-Topologie
hat im Gegensatz zum ZVS-Buck-Regler keinen
Klemmschalter über der Ausgangsdrossel.
Bild 3: Der ZVS-Buck-Regler unterscheidet sich vom
konventionellen Buck-Regler nur durch den Klemmschalter über der Ausgangsdrossel.
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31
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STROMVERSORGUNGEN // WANDLER
tischen Werten dargestellt. In Bezug auf die
parasitären Induktivitäten sowohl der MOSFET-Gehäuse als auch der pauschal angenommenen Werte für die Leiterbahnen wurden heutige Gehäuse- und Konstruktionsmerkmale angesetzt. In beiden Fällen wird
eine Spannung von 36 V auf eine Spannung
von 12 V mit einem Strom von 8 A herabgesetzt. Der konventionelle Regler hat eine
Ausgangsinduktivität von 2 µH für eine Taktfrequenz von 650 kHz. Beim ZVS-Regler sind
dies 230 nH bei einem Betrieb mit 1,3 MHz.
In Bild 4 sieht man, dass beim konventionellen Buck Regler ständig ein Strom in der
Ausgangsdrossel fließt, der zwischen 5 und
11 A schwankt. Beim ZVS-Buck-Regler in Bild
5 ist der Betrieb dagegen lückend und der
Rückstrom während der Klemmphase lässt
sich gut erkennen. In Bild 4 sieht man auch,
dass beim konventionellen Buck-Wandler
beim Einschalten hohe, beim Ausschalten
etwas geringere Verluste entstehen, während
die Durchlassverluste im MOSFET während
der eingeschalteten Zeitspanne ziemlich
niedrig sind. Die durchschnittlichen Verluste im oberen MOSFET betragen 1,5 W, während der Leitphase 0,24 W, beim Abschalten
0,213 W und beim Einschalten 1,047 W; d.h.
die Einschaltphase dominiert. In Bild 6 wird
dieser Zeitraum vergrößert dargestellt. Um
einen Querstrom zu vermeiden, gibt es eine
Totzeit von 30 ns zwischen dem Ausschalten
von Q2 und dem Einschalten von Q1. Während dieser Zeit wird die Body-Diode von Q2
leitend, und es fließt der Freilaufstrom der
Ausgangsdrossel durch diese Diode. Wenn
Q1 einschaltet, müssen die Ladungsträger in
dieser Diode erst ausgeräumt werden, bevor
sie die Spannung wieder sperren können.
Dies bedeutet eine kurze Stromspitze in Q1,
während der auch eine hohe Drain-SourceSpannung an Q1 anliegt, die in etwa der Eingangsspannung entspricht. Daher die hohen
Verluste beim Einschalten, zu denen auch
weitere, von parasitären Induktivitäten bedingte Effekte beitragen.
Bild 4: Die Kurvenformen eines konventionellen Buck-Reglers.
Bild 5: Kurvenformen
eines ZVS-BuckReglers
Bild 6: Detaillierte
Kurvenformen beim
Einschalten von Q1.
Buck-Wandler-Familie auf Basis
des Zero Voltage Switching
in der Drossel gespeicherte Energie fließt nun
in den von der Drossel und den parallel geschalteten Ausgangskapazitäten von Q1 und
Q2 gebildeten Resonanzkreis. Am Knotenpunkt VS entsteht der erste Teil einer Sinusschwingung, die diesen Punkt in Richtung
Vin verschiebt. Nach einer gewissen Zeit, die
von der Steuerung berechnet wird, schaltet
32
Q1 ein, wenn die Spannung an VS nahezu
identisch mit Vin ist, was die Schaltverluste
minimiert.
Die Bilder 2 und 3 zeigen die Grundschaltungen eines konventionellen und eines ZVSBuck-Wandlers. In den Bildern 4 und 5 sind
die Kurvenverläufe der Simulation im statischen Betrieb dieser Schaltungen mit realis-
Die Simulation des ZVS-Buck-Wandlers in
Bild 5 zeigt bei 1,3 MHz im oberen MOSFET
Q1 eine durchschnittliche Verlustleistung
von 1,33 W inklusive der Schalt- und Leitungsverluste. Dies ist trotz doppelter Taktfrequenz und wesentlich kleinerer Ausgangsdrossel weniger als in einem konventionellen
Wandler. Die Simulation bestätigt auch, dass
beim Einschalten von Q1 die Spannung nahezu Null geworden ist und dadurch die Einschaltverluste ebenfalls fast Null sind. Vor
dem Einschalten von Q1 gibt es auch keinen
ELEKTRONIKPRAXIS Kompendium Power Design & Stromversorgungen September 2016
STROMVERSORGUNGEN // WANDLER
Stromfluss durch die Body-Diode und damit
keinen Reverse-Recovery-Effekt sowie keine
dadurch entstehenden Verluste in Q2.
Die DC-DC-Wandler-Familie PI33XX beinhalten im SiP-Gehäuse mit den Maßen 10 mm
x 14 mm die beschriebene ZVS-Topologie und
Controller-Architektur. Für den Aufbau eines
kompletten Wandlers werden darüber hinaus nur noch eine Ausgangsdrossel sowie
einige wenige Keramikkondensatoren benötigt. Die Wandler arbeiten mit einem weiten
Eingangsspannungsbereich von 8 bis 36 V
und liefern an den Ausgängen 1 bis 15 V mit
hoher Leistung und hohem Wirkungsgrad.
Wie erwähnt, kann die Ausgangsdrossel
klein sein und die Taktfrequenz hoch, sodass
auf einer Grundfläche von nur 25 mm x 21,5
mm eine Leistung von 120 W mit einem Wirkungsgrad von bis zu 98% realisiert werden
kann.
Keine Einschränkungen beim
Übersetzungsverhältnis
Der lückende Betrieb des Wandlers erlaubt
auch bei einer Einschaltzeit von nur 20 ns
einen effizienten Betrieb und überwindet
damit die sonst üblichen Einschränkungen
beim Übersetzungsverhältnis. Damit wird die
Bild 7: Die Wirkungsgradkurve des
PI3501 bleibt auch bei der maximalen
Eingangsspannung von 60 V oberhalb
von 92% (vorläufige Ergebnisse).
Forderung nach weniger Wandlerstufen in
der gesamten Versorgungskette erfüllt. Ein
Abwärtswandler, der aus einer Busspannung
von 48 V mit Maximalwerten bis 60 V direkt
die Lasten versorgen kann, ist jetzt in der
Praxis möglich. Bild 7 zeigt die Wirkungsgradkurve für einen 48-V-auf-2,5-V-ZVS-BuckRegler bei 10 A Ausgangsstrom. Auch bei der
maximalen Eingangsspannung von 60 V
bleibt die Wirkungsgradkurve oberhalb von
92% und erreicht bis zu 94% bei 50% Last.
Diese Leistungsdaten bedeuten eine deutliche Verbesserung gegenüber einem konventionellen Abwärtswandler und zeigen die
signifikante Wirkungsgraderhöhung der auf
der ZVS-Topologie basierten Powerkomponenten.
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STROMVERSORGUNGEN // NETZGERÄTE & NETZTEILE
Alles für kapazitive Strom­
versorgungen aus einer Hand
Kapazitive Stromversorgungen eignen sich vor allem für Anwendungen
mit kleiner Leistung. Sie sind einfach, kompakt und kostengünstig. TDK
bietet für diese Designs nahezu alle weiteren passiven Bauelemente.
CHRISTOPH JEHLE *
Blindwiderstand von Konden­
satoren sinnvoll nutzen
Eine elegante wie auch einfache und kostengünstige Möglichkeit, kleine Lasten aus
dem Wechselspannungsnetz zu versorgen,
besteht in der Serienschaltung aus Kondensator und Last. Dabei wird der sonst unerwünschte Effekt der Phasenverschiebung
genutzt: An einem Kondensator tritt die
Spannung um 90 Grad phasenversetzt zum
Strom auf; er wirkt als reiner Blindwiderstand, an dem praktisch keine realen Verluste entstehen. Somit ist ein als Vorwiderstand
* Christoph Jehle
... ist Manager Produkt-Kommunikation bei der TDK Corporation in
München.
34
TDK
E
ntwickler stehen vor der Aufgabe, Geräte und Systemeinheiten immer häufiger nur mit kleinen Spannungen und
Strömen im Milliampere-Bereich aus dem
Netz zu versorgen. Typische Beispiele sind
kleine Displays für Messdaten oder Zeitangaben, Mikrocontroller-basierende Messsysteme sowie einfache Regelungen und Steuerungen. Ähnliche Herausforderungen stellen
sich, wenn Geräte an Funknetze angebunden
werden müssen – etwa bei Smartmetern,
deren Zählerstände über Funk ausgelesen
werden, oder im Fall netzbetriebener Geräte
für das Internet of Things.
Konventionelle Stromversorgungs-Designs
haben im Kleinleistungsbereich etliche
Nachteile. Lösungen mit Transformatoren
oder getaktete Schaltungen benötigen viel
Platz und sind kostspielig, außerdem sind
die Kupfer- und Eisenverluste bezogen auf
die geringe Ausgangsleistung überproportional hoch. Die einfachste Lösung – das Vorschalten eines ohmschen Widerstands – ist
zwar kostengünstig, erzeugt aber hohe Verluste und steht so den geforderten hohen
Wirkungsgraden entgegen.
Eine kapazitive Stromversorgung: einfach, kompakt und kostengünstig.
eingesetzter Kondensator die ideale Lösung.
Bild 1 zeigt das Prinzipschaltbild sowie das
dazugehörige Zeigerdiagramm der Spannungen. Im Gegensatz zu konventionellen Designs sind kapazitive Stromversorgungen am
Ausgang kurzschlussfest.
Da der Kondensator direkt am Netz liegt,
werden an seine Zuverlässigkeit sehr hohe
Anforderungen gestellt. Daher empfiehlt es
sich, für kapazitive Stromversorgungen ausschließlich X2-Kondensatoren mit Sicherheitszulassungen nach UL und ENEC zu
verwenden.
TDK bietet hierfür ein breites Spektrum
von EPCOS-X2-Kondensatoren wie die neuen
Serien B3292*H/J*. Um auch unter extremen
klimatischen Bedingungen wie hoher Temperatur in Kombination mit hoher Luftfeuchtigkeit einen zuverlässigen Betrieb mit stabilen Kapazitätswerten zu ermöglichen, wurde
die X2-Heavy-Duty-Serie (B32932* bis
B32936*) entwickelt. Diese Bauelemente weisen bei einem 1000-Stunden-Test mit 85 °C
und 85% relativer Luftfeuchte eine Kapazitätsdrift von maximal 10% auf. Ein weiterer
Vorteil dieser Kondensatoren: Sie sind selbstheilend. Das heißt, dass kleinere Durchschläge zu einer lokal begrenzten Verdampfung der Metallisierung führen, ohne dass
sich ein Kurzschluss bildet und die Funktion
des Kondensators erhalten bleibt.
Dimensionierung einer kapa­
zitiven Stromversorgung
In der Praxis werden meist Stromversorgungen benötigt, die am Ausgang eine
Gleichspannung zur Verfügung stellen. Die
einfachste Lösung besteht in der einpulsigen
Gleichrichtung wie in Bild 2 dargestellt; für
das Berechnungsbeispiel soll eine Ausgangs-
ELEKTRONIKPRAXIS Kompendium Power Design & Stromversorgungen September 2016
ENT WICKLUNG & AUSWAHL
VON STROMVERSORGUNGEN
STROMVERSORGUNGEN // NETZGERÄTE & NETZTEILE
PROGRAMMAUSZUG
spannung von rund 9 VDC bei einem maximalen Laststrom von 15 mA erzeugt werden.
Zur Funktion der Zenerdiode: Während der
positiven Halbwelle arbeitet D1 als spannungsbegrenzendes Bauelement. Um die
geforderte Ausgangsspannung von 9 V zu
erreichen, müsste die Zenerspannung bei
9,7 V liegen, weil an D2 rund 0,7 V abfallen.
Da Zenerdioden mit diesem Wert aber nicht
verfügbar sind, wird eine Diode mit einem
Wert von 10 V mit einer maximalen Verlustleitung von 1,3 W gewählt. Wird die Stromversorgung im Scheitelpunkt der Netzspannung eingeschaltet, würde ein unzulässig
hoher Strom durch D1 fließen, was deren
Zerstörung zur Folge hätte. Zur Strombegrenzung ist daher R1 vorgeschaltet. Zenerdioden
mit einer Verlustleistung von 1,3 W können
in der Regel kurzfristige Ströme von etwa 1 A
bewältigen. Somit kann der Wert von R1 berechnet werden:
R1 =
230 V ⋅ 2
= 325, 27 Ω
1A
(Formel 1)
Der nächstgelegene Normwert sind 330 Ω.
R1 wird im Betrieb ständig mit dem gesamten
Laststrom beaufschlagt. Zu dessen Berechnung muss das Verhältnis von Wechselstrom-Effektivwert und Gleichstrom-Mittelwert berücksichtigt werden. Da es sich um
eine einpulsige Gleichrichtung handelt, liegt
der Formfaktor bei 2,22. Mit den geforderten
15 mA Ausgangsstrom ergibt sich somit ein
Strom durch R1 von 33,3 mA und in der Folge
eine Verlustleistung von:
Bild 1: Prinzipschaltbild einer kapazitiven Stromversorgung: Das Zeigerdiagramm macht es deutlich:
Der Großteil der Eingangsspannung fällt am Blindwiderstand des Kondensators ab. Dabei entsteht im
Kondensator praktisch keine Verlustleistung.
nung mit einem Spannungsabfall der Netzspannung von mindestens 10% durchgeführt
werden, außerdem ist der Spannungsabfall
über R1 und D1 zu berücksichtigen. Somit
ergibt sich der Blindwiderstand zu:
X C1 =
230 V - 23 V - 11 V - 10 V
= 5585,6 Ω
33,3 mA
(Formel 3)
Daraus lässt sich bei der üblichen Netzfrequenz von 50 Hz die erforderliche Kapazität
berechnen:
C1 =
1
= 0,57 µF
2π ⋅ 50 Hz ⋅ 5585,6 Ω
Gewählt wird ein Widerstand mit einer
Belastbarkeit von 0,5 W. Der Spannungsabfall über dem Widerstand beträgt knapp 11 V.
Berechnen des erforderlichen
Blindwiderstands von C1
Sichere Versorgung durch gute
Glättung
Aus den bisher ermittelten Daten kann nun
der erforderliche Blindwiderstand des Kondensators C1 berechnet werden. Um eine sichere Versorgung der Last auch bei Unterspannung sicherzustellen, sollte die Berech-
Für die Diode D2, die für die einpulsige
Gleichrichtung sorgt, genügt der kostengünstige Standardtyp 1N4001 (50 V, 1 A).
Diese Diode wird von etlichen Halbleiterherstellern angeboten.
2
(Formel 2)
a EMV von Stromversorgungen – Problemstellungen
und Wechselwirkunken im
System trotz zertifizierter
Komponenten
a Wie lange lebt meine Stromversorgung tatsächlich?
a Negativer Eingangswiderstand von SNTs – eine
selten erkannte Falle
(Formel 4)
Als nächster Normwert ergibt sich folglich
eine Kapazität von 0,68 µF. Abhängig von
den klimatischen Rahmenbedingungen eignet sich dafür zum Beispiel der EPCOS-X2Kondensatortyptyp B32933A3684K* aus der
Heavy-Duty-Serie. Er hat ein Rastermaß von
22,5 mm und ist für eine Effektivspannung
von 305 VAC bei einer höchst zulässigen Betriebstemperatur von 105 °C ausgelegt. Alternativ eignet sich Typ B32923H3684K*, der
sogar für 110 °C ausgelegt ist, ebenfalls im
Rastermaß 22,5 mm. Beide Typen weisen eine Kapazitätstoleranz von ±10% auf.
P = ( 33,3 mA ) ⋅ 330 Ω = 0,366 W
11226
Widerstand zur Begrenzung des
Diodenstroms
2 5 ./2 6 .10 . 2 016, VCC, Wür zburg
Themenschwerpunkte
• 25. Oktober Entwicklung
von Stromversorgungen
• 26. Oktober Auswahl
von Stromversorgungen
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Bild 2: Einfache kapazitive Stromversorgung
ELEKTRONIKPRAXIS Kompendium Power Design & Stromversorgungen September 2016
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STROMVERSORGUNGEN // NETZGERÄTE & NETZTEILE
C2 ist für die Glättung der Ausgangsspannung zuständig. Da es sich um eine einpulsige Gleichrichtung handelt, muss während
der negativen Halbwelle der gesamte Ausgangsstrom von C2 zur Verfügung gestellt
werden. Dessen erforderliche Kapazität
hängt von der zulässigen Welligkeit der Ausgangsspannung ab. Für die Beispielschaltung ist ein Maximalwert von 1 V gefordert.
Bei der maximalen Stromaufnahme der Last
von 15 mA bei 9 V ergibt sich ein Lastwiderstand von 600 Ω. Mit einer Netzfrequenz von
50 Hz (10 ms pro Halbwelle) kann somit die
Mindestkapazität von C2 bestimmt werden:
C2 =
−10 ms
= 140 µF
8 V
600 Ω ⋅ ln
9 V
Bild 4: EPCOS Schutzbauelemente für
Stromversorgungen:
Von links nach rechts:
Scheibenvaristor für
den Überspannungsschutz am Netzeingang
und CeraDiode für den
Schutz des Ausgangs,
PTC zur Überstrombegrenzung am Netzeingang.
(Formel 5)
Gewählt wird ein single-ended Aluminium-Elektrolyt-Kondensator mit einer Kapazität von 1500 µF und einer zulässigen Spannung von 25 VDC. Um eine möglichst hohe
Lebensdauer zu erreichen, sollte dieser Kondensator für eine Temperatur von mindestens 105 °C ausgelegt sein.
Optional kann zu C2 zusätzlich ein Keramik-Kondensator parallel geschaltet werden
(C3). Er dient der Rauschunterdrückung und
dem Abblocken von Spannungs-Peaks. Für
diese Funktion kommt zum Beispiel ein
MLCC mit einer Kapazität von 0,1 µF in Frage.
Gewählt wurde dabei der Typ C1608X7R1E104K080AA mit einer Nennspannung von
25 VDC in der Baugröße 1608 (IEC) und der
Temperaturcharakteristik X7R (–55 bis
125 ºC, ±15%).
Ein Scheibenvaristor schützt
den Netzeingang
Beim Ausschalten ohne Last kann es im
ungünstigsten Fall passieren, dass C1 mit der
Scheitelspannung von 325 V geladen bleibt.
R2 hat dann die Aufgabe, den Kondensator
möglichst schnell zu entladen. Bei der Festlegung des Widerstandswerts muss ein Kompromiss zwischen Verlustleistung und Entladezeitkonstante eingegangen werden.
Gewählt wurde in diesem Fall der Wert von
470 kΩ. Dabei tritt eine Verlustleistung von
etwa 0,1 W auf und die Entladezeit auf eine
maximal zulässige Berührungsspannung
von 50 V beträgt rund 0,5 s. Ist die Stromversorgung ständig fest mit dem Netz verbunden, kann auf diesen Widerstand allerdings
verzichtet werden. Wichtig ist natürlich auch
der Überspannungsschutz am Netzeingang
(RV1). Hierfür bietet TDK verschiedene Serien
von EPCOS-Varistorlösungen an. Für die genannte Schaltung eignen sich Typen aus der
EPCOS-Standard-Serie, die ein breites Spektrum an Spannungen von 11 VRMS bis 1100
VRMS abdeckt. Verfügbar sind diese Schutz-
36
Bild 3: EPCOS Kondensatoren für kapazitive
Stromversorgungen:
Zwei typische EPCOS X2
Kondensatoren, die sich
für kapazitive Stromversorgungen eignen.
Links ein Typ aus der
Heavy Duty Serie, rechts
ein Typ aus der Serie
B3292*H/J.
BEZEICHNUNG
TYP/WERT
BESTELLNUMMER
HERSTELLER
R1
330 Ω, 0,5W
R2
470 kΩ
RT2
PTC, 90 mA
B5987C0120A570
EPCOS
RV1
Varistor, 230V
B72205S0231K101
EPCOS
RV2
Varistor, 14 V
B72590D0150A060
EPCOS
C1
0,68 µF
B32933A3684K* oder
B32923H3684K*
EPCOS
C2
150 µF, 25 V
C3
0,1 µF, 25 V
D1
ZD10, 1,3 W
diverse
D2
1N4001
diverse
divese
diverse
diverse
C1608X7R1E104K080AA
TDK
Stückliste: Alle Komponenten für die im Beitrag beschriebene kapazitive Stromversorgung.
bauelemente mit Scheibendurchmessern
zwischen 5 mm und 20 mm entsprechend der
geforderten Stoßstrombelastbarkeit und
Energieabsorption. In diesem Fall eignet
sich beispielsweise der kompakte Typ
B72205S0231K101 mit einem Scheibendurchmesser von 5 mm, der bei einem Impuls von
8/20 µs eine Stoßstrombelastbarkeit von
400 A aufweist.
CeraDiode schützt vor Überspannungen am Ausgang
Zusätzlich kann auch der Ausgang der
Schaltung noch gegen Überspannung
geschützt werden (RV2), so etwa mit der in
unserem Beispiel gewählten EPCOS-SMTCeraDiode B72590D0150A060 mit einer
DC-Spannung von 15 V. Für die Strombegrenzung am Netzeingang schließlich sorgt ein
EPCOS-PTC-Thermistor B59873C0120A570
(RT1), der für einen maximalen Laststrom von
90 mA bei 25 °C ausgelegt ist. Sollte in der
Schaltung ein Fehler auftreten, der zu erhöhtem Stromfluss führt, erwärmt sich der PTC,
wodurch sein Widerstand sehr stark ansteigt
und der Strom auf unkritische Werte begrenzt wird.
Mit dem breiten Bauelemente-Spektrum
von TDK lassen sich auch kapazitive Stromversorgungen mit anderen Spannungs- und
Stromwerten realisieren.
// TK
TDK
+49(0)89 540202441
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STROMVERSORGUNGEN // NETZGERÄTE & NETZTEILE
Die Stromversorgung rechtzeitig in
die Geräteplanung einbinden
Der Weg von der Idee bis hin zum marktreifen Produkt ist
anspruchsvoll – und oft stellt sich die Frage nach einer
geeigneten Stromversorgung eigentlich zu spät.
EOS Power
HENRY MÜLLER *
Teamwork: Das R&D-Team von EOS Power arbeitet intensiv an immer kompakteren und leistungsfähigeren Stromversorgungen.
D
en optimalen Zeitpunkt, bei der
Entwicklung eines neuen Geräts beim
Stromversorgungs-Partner auf der
Schwelle zu stehen, gibt es nicht. Jeder Entwicklungsprozess ist anders. Am Anfang
steht die Anwendungsidee. Preis-Leistungsverhältnisse aller Komponenten werden
irgendwann für den Markterfolg des neuen
Geräts entscheidend sein. Auch die Benut-
* Henry Müller
... ist Sales Director EMEA bei EOS
Power, Mumbai, am Standort Dobel.
38
zerfreundlichkeit zieht immer mehr auch im
professionellen Anwendungsgeschäft ein.
Doch: Bekanntermaßen kommt der Strom
nicht einfach aus der Steckdose. Und wird
das Thema Stromversorgung und -wandler
rechtzeitig bedacht, könnten in vielen Entwicklungsprozessen deutlich kostengünstigere, vielleicht montage- oder energieeffzientere Lösungen gefunden werden. Vielleicht wäre dies auch attraktiver, für den
Kunden des Kunden besser nutzbar, unverwechselbar gewesen? Man denke an das
Klassikerbeispiel Apple Macintosh: Dessen
ersten Tischnetzteile mit Wechseladaptern
waren extrem kompakt und wurden bei EOS
Power gefertigt. Diese waren genau durchdacht und prägen einen Teil des Bildes des
Gesamtgeräts nachhaltig bis heute.
Stromversorgung – selbst
entwickeln oder zukaufen?
Bei der Entscheidung für eine Stromversorgung steht am Anfang die Frage: Make or
Buy? In der Regel lautet die Antwort „buy“
– gefolgt von der Überlegung: Kann ich ein
Standardgerät einsetzen oder mit einer Standardplattform arbeiten, oder benötige ich
eine kundenspezifische Lösung? Kundenspezifische Lösungen haben teilweise bis zu drei
Jahre Vorlauf von der Idee bis zum Produkt.
ELEKTRONIKPRAXIS Kompendium Power Design & Stromversorgungen September 2016
STROMVERSORGUNGEN // NETZGERÄTE & NETZTEILE
Immer mehr Funktionen in
immer kompakteren Geräten
Der Trend geht klar zur Miniaturisierung
und „Mobilisierung“ der Geräte, wobei
gleichzeitig immer mehr Funktionen im selben Gerät untergebracht werden sollen. Parallel sind viele Geräte in den vergangenen
zehn Jahren um bis zu 50% geschrumpft.
Selbst bei stationären Geräten die größer
werden herrscht inzwischen oft chronischer
Platzmangel, da diese immer schmaler,
schlanker und vom Design getrieben werden.
Die Folge: Immer stärkere Hochintegration
der Elektronik, die meist auch noch mit weniger Bauraum auskommen muss. Endgeräte werden kleiner, aber in ihrer Performance
stärker und vielfältiger. Erstrebenswert ist es
daher für den Geräteentwickler, die kleinsten
und effektivsten derzeit am Markt verfügbaren Stromversorgungen der jeweiligen Leistungsklasse in das neue Gerät einbauen zu
können. So wird genügend Platz für die anderen wichtigen Komponenten geschaffen.
Dabei ist es hilfreich, wenn von Beginn an
die richtige Menge Platz für die Stromversorgung eingeplant werden kann. EOS Power
hat hierbei das klare Bestreben, Benchmarks
vorzulegen: Nach mehreren Jahren Entwicklungszeit dürfen sich die WLP und (M) – für
„Medical” – WLP-Serien von EOS Power von
75 bis 350 W nicht zufällig „kleinste Wandler
ihrer Leistungsklasse der Welt“ nennen. Ein
Zoll hoch (25,4 mm) und so groß wie eine
Kreditkarte ist z.B. die 120-W-Komponente.
Klein alleine genügt jedoch nicht:
Auch diese Ultra-Small-Komponenten können ihre Leistungsfähigkeit immer dann
optimal ausspielen, wenn verschiedene Parameter wie beispielsweise Anlaufströme
bei kapazitiven Lasten oder Motoren von
Beginn an aufeinander abgestimmt werden, damit ein leistungsschwächeres Netzteil verwendet werden kann – und das
R&D-Team rechtzeitig mit der Anpassung
und gegebenenfalls normativen Absicherung der Stromversorgungs-Komponente
starten kann.
ren Komponenten, um in keine Lieferabhängigkeiten oder unangemessene Preissteigerungen zu geraten.
Auf dieser Basis sind die Entwickler der
Stromversorgung dann sehr effizient in der
Lage, kundenspezifische Anpassungen
durchführen zu können. Als anschauliches
Beispiel kann ein Gerät namens „Schwesternruf-Station“ eines Medizintechnik-Kunden dienen. Entwickelt wurde ein kundenspezifisches Gerät; Basis war eine EOS-Standard-Plattform mit einfacher Topografie des
Netzteiles. Dann gab man dem Ganzen noch
gemeinsam einen speziellen Formfaktor und
einige „Added features“, durch die sich andere Komponenten im Umfeld des Kundengerätes erübrigten. Das Ergebnis war eine
zuverlässige, kostengünstige Lösung, speziell nach ihren Spezifikationen und Bedürfnissen. Ein deutlicher Vorteil bezüglich
Time-to-Market.
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Auf die Stromversorgungsparameter kommt es an
Zudem stehen häufig unterschiedliche
Komponenten oder Module zur Auswahl, die
im Kundengerät zum Einsatz gebracht werden können. Fällt der Blick also bereits bei
der Konzeption des Gesamtgeräts auf die
Stromversorgungsparameter, beispielsweise
Ausgangsspannungen, lassen sich häufig
überflüssige Kosten vermeiden. Dies gilt zum
Beispiel im Hinblick auf Zusatzschaltungen
in Form von DC/DC-Wandlern, da z.B. EOS
alle Ausgangsspannungen von 5 bis 58 VDC
zugelassen hat.
Solche Konzepte senken die Materialkosten und reduzieren die Total-Cost-of-Ownership, da weniger zusätzliche DC/DC-Wandler
benötigt werden. Gleichzeitig verhindert
frühzeitige Planung, dass Stromversorgungen präventiv überdimensioniert ausgelegt
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des Netzteils, umso geringer sind die Herstellungskosten. Außerdem verwendet
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STROMVERSORGUNGEN // NETZGERÄTE & NETZTEILE
Netzteile werden immer
kompakter: Drei Generationen
von 120-Watt-Netzteilen im
Vergleich.
EOS Power die „Small Size“ und Ultra-SmallSize Power Supplies mit hohen Ratings in der
Konvektionskühlung bieten hier besonders
viele Möglichkeiten für den Kunden im
Bereich „zukunftsfähiges Design“ sowie
mehr Spielraum für ästhetische Optimierungen am finalen Produkt. Hohe Wirkungsgrade in kleiner Bauform eröffnen dem Entwickler somit viele Chancen. Auch werden z.B.
lüfterbetriebene Geräte im medizinischen
Bereich ungern eingesetzt. Hygienische Aspekte spielen hier neben der Geräuschentwicklung eine große Rolle.
Rechtzeitige Planung kann
Produktionskosten senken
werden. Andererseits ist jedem Stromversorgungs-Partner natürlich bewusst, dass Vorhersagen immer besonders schwierig sind,
wenn sie die Zukunft betreffen – kurz gesagt,
dass ICs und andere Wahlkomponenten oft
im letzten Moment aus funktionalen, fast
häufiger aber noch aus Verfügbarkeits- oder
Kostengründen, geändert werden müssen.
Dann ist es wichtig, einen Stromversorgungspartner zu haben, der Spannungen, Leckageströme und EMV-Verbesserungen schnell im
Entwicklungszyklus anpassen kann.
Eine optimale powerintegrierte
Geräteplanung ist wichtig
Gleichzeitig lässt sich nur bei optimaler
powerintegrierter Geräteplanung die optimale Performance erzielen, da man die
Stromversorgung beispielsweise in den Lüftungsfluss der Applikation einbauen kann,
oder die Abwärme direkt nach draußen führen kann. Werden solche Chancen eingangs
verpasst, wird im schlimmsten Fall eine
Lösung mit eigenem Lüfter nötig. Die Folge:
Mehr Verschleiß, mehr Platzbedarf, geringere MTBF. Innovative Kühlungslösungen werden auch beim 550-Watt-Wandler, der Anfang
dieses Jahres präsentiert werden soll, wieder
eine große Rolle spielen.
Ein besonders eindrückliches Beispiel
in Sachen Bedeutung der richtigen Kühlungsplanung lieferte jüngst ein Projekt für
einen Kunden, der in den USA ansässig ist:
Es gab genug Platz, aber Performance und
Mean-Time-Between-Failures sollten erhöht
werden. Zu designen war eine Outdoor-Beleuchtungs-Anwendung. Die R&D war rechtzeitig mit im Boot und es gelang dem
Ingenieursteam letztlich tatsächlich, den
Ventilator auszudesignen. Bei perfektem
40
Timing: Kaum war die Hardware des Kunden
fertig, konnten schon die gemeinsamen Tests
beginnen.
Kompakte, leistungsfähige
Geräte und die EMV
Je kompakter und je höher die Performance, umso größer ist nicht nur der Kühlungsbedarf, sondern auch die EMV-Herausforderung. Zwar lassen sich EMV-Probleme
für das Gesamtgerät schwierig voraussagen,
aber es ist empfehlenswert, rechtzeitig anhand von Messunterlagen von den Stromversorungsexperten von EOS Power in Mumbai
hilfreiche Tipps erstellen und Lösungsmöglichkeiten erarbeiten zu lassen. Erst kürzlich
hatten diese ein Projekt zu bearbeiten, bei
dem kein Platz für den notwendigen Eingangsfilter war. Auch Erdung zur Störungsableitung war nicht möglich – eine besondere Herausforderung, die vom EOS-R&D-Team
in Indien jedoch hervorragend gelöst wurde.
Gerade bei Open-Frame-Netzteilen, die in
das Gerät eingebaut werden, hat man in der
Regel eine ganze Reihe an Möglichkeiten der
rechtzeitigen Anpassung hinsichtlich EMV
– von Carbidkernen über stromkompensierte Drosseln bis hin zu komplexen zusätzlichen Netzfiltern als externe Lösungen sowie
gezielte Modifikationen direkt am Netzteil.
Auf Benutzerfreundlichkeit
und Design kommt es an
Eine ansehnliche Stromversorgung kann
auch – zumindest wo sie gut sichtbar ist, Teil
des USP eines technischen Geräts sein. Ein
gut zu handhabendes Netzteil mit hoher Zuverlässigkeit und geringer Ausfallrate und
Fehlbedienungsmöglichkeit ist es allzumal.
Gerade die besondere Kernkompetenz von
Nicht rechtzeitig zu planen führt dagegen
häufig zu höheren Applikationskosten und
unter Umständen auch zu umständlicherem
Einbau und damit höheren Produktionskosten. Den optimalen Zeitpunkt, an dem der
Stromversorgungspartner einbezogen werden sollte, gibt es nicht. Die Entwicklung des
ursprünglichen Geräts steht naturgemäß im
Vordergrund und die Stromversorgung ist die
letzte Verbindung zur äußeren und analogen
Welt. Oft ist auch der Energiebedarf der
ASICs und Mikrocontoller im Gerät und ihrer
Firmware erst spät bekannt, was häufig
spannende Last-Minute-Änderungsaktionen
nötig macht. Dabei ist es auch gerade die
zeitliche und technologische Flexibilität –
sei es in Größe, Modifikationen oder Timeto-Market, die einen Stromversorger wie EOS
zu einem guten Entwicklungspartner für die
Gerätehersteller macht.
Doch nun das große „Aber“ – immer ist
auch bereits im Vorfeld vieles bekannt. Es ist
definiert, ob die Stromversorgung in geschlossener Bauform als Case, Open-Frame,
als Wandler-Module für die Leiterplatte oder
DIN Rail benötigt wird. Auch die Spannungsbereiche liegen in der Regel durch die verwendeten Komponenten fest. Wird IP-Schutz
benötigt? Welche EMV-Standards müssen
eingehalten werden? Ist eine medizinische
Zulassung nötig?
Aufgrund der Vielfalt der Komponenten
kann die erforderliche Stromversorgung
zwar in der Regel erst am Ende des Entwicklungsprozesses – heißt nach dem Design des
Gehäuses – endgültig festgelegt werden.
Aber Fakt ist, wenn die gemeinsame Planung
in den genannten mindestens neun Punkten,
deutlich früher beginnt, lassen sich häufig
noch viele zusätzliche Vorteile für den Kunden realisieren – die er sonst verschenken
würde.
// TK
EOS Power
+49(0)7083 52230
ELEKTRONIKPRAXIS Kompendium Power Design & Stromversorgungen September 2016
Impressum
REDAKTION
09231
Chefredakteur: Johann Wiesböck (jw), V.i.S.d.P. für die redaktionellen Inhalte,
Ressorts: Zukunftstechnologien, Kongresse, Kooperationen, Tel. (09 31) 4 18-30 81
Chef vom Dienst: David Franz (df), Ressorts: Beruf, Karriere, Management, Tel. -30 97
Verantwortlich für dieses Sonderheft: Thomas Kuther (tk)
Redaktion München: Tel. (09 31) 4 18Sebastian Gerstl (sg), ASIC, Entwicklungs-Tools, Mikrocontroller, Prozessoren,
Programmierbare Logik, SOC, Tel. -30 98;
Franz Graser (fg), Prozessor- und Softwarearchitekturen, Embedded Plattformen, Tel. -30 96;
Martina Hafner (mh), Produktmanagerin Online, Tel. -30 82;
Hendrik Härter (heh), Messtechnik, Testen, EMV, Medizintechnik, Laborarbeitsplätze, Displays,
Optoelektronik, Embedded Software Engineering, Tel. -30 92;
Holger Heller (hh), ASIC, Entwicklungs-Tools, Embedded Computing, Mikrocontroller,
Prozessoren, Programmierbare Logik, SOC, Tel. -30 83;
Gerd Kucera (ku), Automatisierung, Bildverarbeitung, Industrial Wireless, EDA,
Leistungselektronik, Tel. -30 84;
Thomas Kuther (tk), Kfz-Elektronik, E-Mobility, Stromversorgungen, Quarze & Oszillatoren,
Passive Bauelemente, Tel. -30 85;
Kristin Rinortner (kr), Analogtechnik, Mixed-Signal-ICs, Elektromechanik, Relais, Tel. -30 86;
Margit Kuther (mk), Bauteilebeschaffung, Distribution, E-Mobility, Tel. -30 99;
Freie Mitarbeiter: Prof. Dr. Christian Siemers, FH Nordhausen und TU Clausthal; Peter Siwon,
MicroConsult; Sanjay Sauldie, EIMIA; Hubertus Andreae, dreiplus
Verantwortlich für die FED-News: Jörg Meyer, FED, Alte Jakobstr. 85/86, D-10179 Berlin,
Tel. (0 30) 8 34 90 59, Fax (0 30) 8 34 18 31, www.fed.de
Redaktionsassistenz: Eilyn Dommel, Tel. -30 87
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Erscheinungsweise: 24 Hefte im Jahr (plus Sonderhefte).
Verbreitete Auflage: 37.801 Exemplare (IV/2015).
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Bilder: Maxim Integrated
ROBERT NICOLETTI *
Bild 1: Die Strukturen synchroner und nicht-synchroner Stromversorgungen im Vergleich. In der Diode der nicht-synchronen Wandler fällt wegen ihrer Vorwärtsspannung sehr viel Wärme an, sodass diese Schaltungen nicht besonders effizient sind.
N
icht nur beim IC-Design, sondern
auch bei den integrierten Gehäusetechnologien sorgen verbesserte
Halbleiterprozesse für stets kleinere Geometrien. Dadurch können Modulhersteller die
für eine Stromversorgungsschaltung erforderlichen passiven Bauelemente mit den
elementaren ICs zu einer kompakten Stromversorgungslösung in einem einzigen Bauteil
zusammenfassen. Synchrone Schaltregler
enthalten integrierte FETs und sind kleiner,
effizienter und präziser als frühere Schaltregler. Die neuesten Power-Module wiederum kombinieren diese neuen synchronen
Schaltregler mit Bauelementen wie zum Beispiel Widerständen, Kondensatoren, MOSFETs und Spulen zu einem einfach anwendbaren Hybrid-Power-Modul, das die finale
Lösung kompakter und kostengünstiger
macht und die Komplexität des Layouts gegenüber diskreten Ansätzen enorm verringert.
* Robert Nicoletti
... ist Applikationsingenieur bei Maxim Integrated,
San Jose/Kalifornien.
42
Beim Design auf Power-Module zurückzugreifen hat einen grundlegenden Vorteil:
Gestützt auf ein vorgefertigtes Stromversorgungs-Design, kann man sich rein auf die
Alleinstellungsmerkmale des eigenen Produkts konzentrieren.
Synchrone Buck-Schaltregler
als Ausgangspunkt
Mit den SiP-Power-Modulen der HimalayaFamilie (SiP; System-in-Package) offeriert
Maxim beispielsweise pinkompatible Ausführungen für verschiedene Ströme und
Spannungen, um eine hohe Design-Flexibilität zu erreichen. Im Interesse niedrigerer
Kosten sind sie für eine einfache Migration
ausgelegt. Verbesserungen bei den IC-Prozessen und IC-Designs ermöglichte die Integration der in Schaltnetzteilen erforderlichen MOSFETs, was den Weg zur Entwicklung von Netzteilen mit Synchrongleichrichtung ebnete. Das hat den Gleichspannungswandler-Markt speziell in Anwendungen für
hohe Spannungen stark verändert. Die
neuesten synchronen Buck-Schaltregler
zeichnen sich durch hohe Effizienz, reduzier-
te Wärmeentwicklung und kleinere Abmessungen aus. Diese Technik verdient deshalb
nachfolgend einen genaueren Vergleich zwischen synchronen und nicht-synchronen
Stromversorgungs-ICs.
Bild 1 zeigt den Unterschied zwischen synchronen und nicht-synchronen Stromversorgungs-Designs. Traditionelle, nicht-synchrone Buck-Wandler bedienen sich einer externen Schottky-Diode, die den Strom der Ausgangsspule gleichrichtet und leitet, während
der High-Side-Transistor abgeschaltet ist.
Diese Technik ist in der Theorie recht einfach. In der Praxis aber gestaltet sich ihr Design schwierig. Der größte Nachteil nichtsynchroner Wandler ist die Tatsache, dass in
der Diode infolge ihrer Vorwärtsspannung
erhebliche Wärme entsteht. Das resultierende System ist somit auch nicht besonders
effizient.
Bei einem synchronen Buck-Wandler wird
die externe Gleichrichterdiode durch einen
integrierten Low-Side-Leistungs-MOSFET
ersetzt. Verglichen mit der Diode des nichtsynchronen Wandlers sorgt der niedrige Einschaltwiderstand des MOSFET für einen
ELEKTRONIKPRAXIS Kompendium Power Design & Stromversorgungen September 2016
LEISTUNGSELEKTRONIK // STROMVERSORGUNGEN
Bild 2: Vergleich der Verlustleistung von synchronen und nicht-synchronen Gleichrichterlösungen. Die
synchrone Lösung verringert die Verluste in der Gleichrichterdiode um 60%.
wendet, können die Hersteller von den gleichen Vorteilen profitieren, die ein diskretes
Stromversorgungs-Design bietet: hoher Wirkungsgrad, geringere Wärmeentwicklung
sowie präzisere Spannungsregelung – und
dies bei deutlich kleineren Abmessungen.
Zum Beispiel integriert Maxim seine Himalaya-ICs zusammen mit weiteren Bauelementen zu den Power-Modulen der HimalayaFamilie.
Integration in Power-Module
vereinfacht den Design-Prozess
Selbst mit diskreten synchronen BuckSchaltreglern müssen für eine robuste Stromversorgung zahlreiche Anforderungen erfüllt
und viele Herausforderungen bewältigt werden. Eingangsspannung, Ausgangsspannung, Laststrom, Temperatur, Störimmunität und/oder Störaussendungen sind nur
einige der Kriterien, die von den Designern
bedacht werden müssen. Zu den schwierigsten Aspekten beim Design von Schaltnetzteilen gehören jedoch die Auswahl der externen
Bauelemente, die Platzierung der Bausteine,
das Leiterplatten-Layout sowie RegelungsKriterien wie etwa elektromagnetische Interferenzen, Hochfrequenz-Störungen und die
Anfälligkeit gegen eingestrahlte Hochfrequenz-Störgrößen. Bleibt das unberücksichtigt, kann jeder dieser Aspekte zur Ein- oder
Abstrahlung elektrischer Störgrößen führen.
Die Tatsache, dass in den Power-Modulen
bereits einige externe Bauelemente integriert
sind, eliminiert bereits einen großen Teil der
Design-Risiken. Neben dem SchaltnetzteilController sind in heutigen Power-Modulen
die MOSFET-Leistungsschalter und die Spule sowie weitere passive Bauelemente integriert, die für Kompensations- und Bias-Zwecke benötigt werden. Für den Betrieb sind
somit nur noch vier oder fünf zusätzliche
externe Bauelemente erforderlich. Da sämtliche integrierten Bauelemente mit Blick auf
optimale Performance ausgewählt sind, werden Entwickler nicht mehr mit Unwägbarkeiten konfrontiert. Sie können sich vielmehr
für ein geeignetes kommerziell angebotenes
09232
wesentlich geringeren Spannungsabfall.
Außerdem lässt sich der MOSFET abschalten,
wenn er nicht benötigt wird. Die Umwandlungsverluste sind aus diesem Grund deutlich geringer, sodass die Schaltung weniger
Wärme erzeugt und effizienter arbeitet. Sowohl der zur Gleichrichtung dienenden LowSide-MOSFET als auch die früher extern
implementierten Kompensationsschaltungen sind jetzt in den IC integriert.
Um die Vorteile dieser Technik besser erläutern zu können, sollen jetzt kurz die Verluste der synchronen und der nicht-synchronen Lösung berechnet und miteinander
verglichen werden. Die zugehörigen Wärmebilder in Bild 2 zeigen anschaulich die deutlich geringere Wärmeentwicklung des synchronen Buck-Wandlers im Vergleich zur
nicht-synchronen Lösung. Dies ist wichtig,
da Wärme nachteilige Auswirkungen auf die
Lebensdauer elektrischer Bauelemente hat.
Die meisten Ingenieure interpretieren die
Arrhenius-Gleichung so, dass sich die Lebensdauer einer Schaltung verdoppelt, wenn
die Temperatur um 10 K gesenkt wird. Hieraus folgt, dass die synchrone Lösung aufgrund der Temperaturdifferenz von 30 K
mindestens achtmal langlebiger sein dürfte
als die nicht-synchrone Variante.
Wegen der Integration der Kompensationsschaltungen verbessert die Synchrongleichrichtung die Regelgenauigkeit. Entscheidender ist aber, dass die eingebaute Kompensation über den gesamten Ausgangsspannungsbereich ohne externe Bauelemente
auskommt, was den Bauteileaufwand und
den Platzbedarf signifikant verringert. Als
weiterer Pluspunkt kommt die hohe Genauigkeit der internen Spannungsreferenz hinzu. Sie ergibt eine präzisere Spannungsregelung, die über einen erweiterten Betriebstemperaturbereich hinweg nahezu ±1% beträgt.
Werden diese neuen Buck-Schaltregler mit
integrierten FETs und Synchrongleichrichtung als Grundlage für Power Module ver-
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LEISTUNGSELEKTRONIK // STROMVERSORGUNGEN
Bild 3: Beginnend mit einem einfachen Leistungsregler, führte die fortschreitende Entwicklung zu den heutigen Power Modulen der Himalaya-Reihe; (v.l.n.r) synchroner Buck-Schaltregler MAX15046, synchroner Buck-Schaltregler MAX17503 und Power-Modul MAXM17503.
Power Modul entscheiden, das ihren jeweiligen Stromversorgungs-Anforderungen entspricht.
Kleinere Designs, mehr Komfort
und höhere Flexibilität
Moderne Power-Module sind deutlich
kompakter als diskrete StromversorgungsLösungen, die mit PWM-Controllern bestückt
sind oder gar auf Schaltreglern mit integrierten FETs basieren. Im Laufe der Jahre haben
sich Stromversorgungs-Schaltungen von
Kondensator, zwei Widerständen zum Einstellen der Ausgangsspannung sowie möglicherweise einem Kondensator für die Softstart-Funktion. Bild 3 veranschaulicht diese
immer weiter fortschreitende Integration der
Stromversorgungs-Lösungen zusammen mit
dem jeweiligen Platzbedarf.
Eine neue Layout-Konfiguration rückt die
Pins mit einer QFN-ähnlichen Anordnung an
den Rand des Gehäuses, wodurch das Leiterplatten-Layout einfacher und kostengünstiger wird. Die Platzierung wichtiger Signal-
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einfachen Leistungsreglern mit ausschließlich externen Bauelementen (Bild 3 links)
stetig weiterentwickelt. Es folgten Leistungswandler in Form von ICs, die mit einer externen Spule und einer geringeren Zahl externer
Bauelemente kombiniert werden mussten
(Bild 3 Mitte). Inzwischen aber gibt es die
kompakten Power-Module (Bild 3 rechts). Die
Himalaya-Power-Module etwa, wie zum Beispiel der MAXM17503, sie kommen mit vier
bis fünf externen Komponenten aus: einem
Eingangs-Kondensator, einem Ausgangs-
ENT WICKLUNG & AUSWAHL
VON STROMVERSORGUNGEN
LEISTUNGSELEKTRONIK // STROMVERSORGUNGEN
11226
PROGRAMMAUSZUG
Bild 4: Vergleich der Anschlussanordnung bei einem Maxim-Modul in QFN-Bauweise (rechts) und einem
älteren Grid-Array-Layout (links).
a EMV von Stromversorgungen – Problemstellungen
und Wechselwirkunken im
System trotz zertifizierter
Komponenten
a Wie lange lebt meine Stromversorgung tatsächlich?
Bild 5: Die Power
Module der HimalayaReihe von Maxim sind in
kompakten und flachen
Gehäusen untergebracht.
Pins am äußeren Rand des Gehäuses ermöglicht den Verzicht auf mehrlagige Leiterplatten, die mithilfe von Vias die in der Gehäusemitte liegenden Anschlüsse herausführen.
Beispiele für solche Gehäuse sind die Module mit Ball- oder Grid-Array-Gehäuse (Bild 4).
Wenn die Anschlüsse am Gehäuseumriss
angeordnet sind, bleibt in der Mitte außerdem Platz für Metall-Pads, die mithelfen, die
Abwärme aus dem Modul heraus zu transportieren und damit die Erwärmung des Systems weiter zu reduzieren. Mehrere separate
Pads bieten dabei zusätzlichen Schutz, indem sie empfindliche Bereiche des Moduls
voneinander isolieren.
Die Gehäusehöhe von nur 2,8 mm erlaubt
die Verwendung des Moduls auf Mezzanine
Cards, bei denen es auf eine geringe Bauhöhe ankommt. Die flache Bauweise erleichtert
nicht zuletzt die Integration von Kühlkörpern. Diese sind besonders in HochleistungsAnwendungen von Bedeutung, in denen es
viel Wärme abzutransportieren gilt (Bild 5).
Optionen für diverse
Spannungen und Ströme
In den verschiedenen Entwicklungsphasen eines Projekts können sich die Leistungsanforderungen häufig ändern. Weshalb sollte man Kunden zwingen, bei jeder Änderung
des Strom- oder Spannungsbedarfs die Leiterplatte zu überarbeiten, was mit einem
hohen Zeit- und Kostenaufwand verbunden
wäre? Stattdessen können die Designer heute Power Modul-Familien nutzen, die für
verschiedene Ströme und Spannungen in
pinkompatibler Ausführung angeboten werden.
Aufgrund dieser Flexibilität kann ein und
dasselbe Layout mit Modulen für unterschiedliche Lastströme und Ausgangsspannungen bestückt werden. Da keine Änderungen an der Leiterplatte erforderlich sind,
verkürzt sich die Markteinführungszeit.
Einige Entwickler zögern mit dem Einsatz
von Power-Modulen, weil sich diese nicht so
gut individuell anpassen lassen wie diskrete
Lösungen. Hinzu kommt ihr höherer Preis.
Bisher fehlte hier ein Glied in der Kette,
nämlich die Möglichkeit des Umstiegs. Das
hat sich inzwischen zugunsten des Entwicklers geändert: Designer können im Interesse
einer kurzen Entwicklungszeit mit einem
Modul beginnen, um später auf eine Lösung
zu wechseln, die genau den gleichen IC in
diskreter Form enthält. Diese Flexibilität ermöglicht eine Performance- und Kostenoptimierung, wenn es an die Serienproduktion
geht, und zugleich ist das eine wertvolle
Option für Schaltungsentwickler, die das
Beste zweier Welten miteinander kombinieren wollen.
// KU
a Negativer Eingangswiderstand von SNTs – eine
selten erkannte Falle
2 5 ./2 6 .10 . 2 016, VCC, Wür zburg
Themenschwerpunkte
• 25. Oktober Entwicklung
von Stromversorgungen
• 26. Oktober Auswahl
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STROMVERSORGUNGEN // OFFLINE-FLYBACK-SCHALTREGLER
Zwei Offline-Flyback-Schaltregler
mit 90% Wirkungsgrad
Mit zwei Schaltregler-IC-Serien verbessert Power Integrations die Ladezeit mobiler Geräte (InnoSwitch-CP) und macht Hilfs- sowie StandbyStromversorgungen effizienter (InnoSwitch-EP).
P
technologie die Akkuladezeiten drastisch
verkürzen, den Ladewirkungsgrad steigern,
den Aufwand für das Temperatur-Management minimieren und die Kosten des Akkuladesystems senken, ohne auf Rückwärtskompatibilität zu der weit verbreiteten 5-VUSB-BC-1.2-Spezifikation verzichten zu müssen.
Die bei InnoSwitch-CP-ICs angewandte
FluxLink-Technik von Power Integrations
nutzt in der Schaltung die magnetische Signalkopplung und eliminiert alterungsanfällige Optokoppler. Diese Methode ermöglicht
eine hochgenaue sekundärseitige Regelung,
die genauso einfach zu implementieren sei
wie eine primärseitige Regelung und auch
keinen größeren Bauteilaufwand erfordert.
FluxLink optimiert außerdem die Effizienz
des Ausgangs-Synchrongleichrichters, daraus resultiert ein besonders hoher Wirkungsgrad über den gesamten Lastbereich hinweg.
Die Leerlauf-Leistungsaufnahme bei 230 VAC
beträgt weniger als 10 mW, und der VolllastWirkungsgrad ist größer als 90%. InnoSwitch-CP-ICs erfüllen oder übertreffen
alle globalen Energieeffizienzstandards. Die
für ein schnelles Laden erforderlichen Spannungen und Ströme hängen von mehreren
Bilder: Power Integrations
ower Integrations ist Hersteller von
Hochspannungs-ICs für energieeffiziente Spannungswandler und bringt
mit InnoSwitch-CP eine neue Familie von
Offline-CV/CC-Sperrwandler-ICs auf den
Markt.
Diese ICs arbeiten mit einem Konstantleistung-Ausgangsprofil, das es in Verbindung
mit einem Protokoll für adaptive Spannungsregelung (beispielsweise Qualcomm Quick
Charge 3.0 oder USB-PD) Herstellern smarter
mobiler Geräte ermöglicht, die Akkuladezeiten ihrer Produkte zu minimieren. Entwickler
können durch Anwendung adaptiver Lade-
Bild 1: Das Konstantleistungsprofil der InnoSwitch-CP-ICs ist mit Qualcomm Quick
Charge, USB-PD und anderen Protokollen für adaptive Spannungsregelung konform.
46
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STROMVERSORGUNGEN // OFFLINE-FLYBACK-SCHALTREGLER
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Internet of
Things 2015
Bild 2: Die Referenzschaltung des Rapid Phone Chargers DER-494: 20 W QC 3.0 (mit InnoSwitch-CP).
Power-Management-IC
für Stromversorgungen
Stets strengere Vorgaben für den Gesamtenergieverbrauch verlangen eine weitere
Reduzierung der Leistungsaufnahme von
Systemen in allen ihren Betriebsarten. Dieses
Entwickler-Ziel zu erreichen, unterstützen
die IC der EP-Serie. Damit will Power Integrations einfach zu implementierende Lösungen ermöglichen, um die Energieeffizienz
gemäß der TEC-Vorgaben von ENERGY STAR
und ErP für Stromversorgungen unter allen
Betriebsbedingungen (von Standby bis Volllast) zu erhöhen.
Diese Familie von Offline-CV/CC-Sperrwandler-ICs enthalten einen 725-V-MOSFET,
einen Synchrongleichrichter und eine hochgenaue sekundärseitige Regelschaltung.
Wesentliche Merkmale der Bausteine sind
eine ausgezeichnete Kreuzregelung bei
Stromversorgungen mit Mehrfachausgang,
ein vollständiger Netzeingangsschutz, extrem schnelle Reaktion auf Transienten und
eine Leerlauf-Leistungsaufnahme von weniger als 10 mW. Die Einchip-Lösungen eignen
sich für Anwendungen wie Hilfs- und Standby-Stromversorgungen in Hausgeräten, Heizungs-/Klimaanlagen, Konsumelektronik,
Computern sowie Tele- und Datenkommunikationssystemen.
Auch hier ermöglicht die FluxLink-Technik
eine schnelle und hochgenaue sekundärseitige Regelung. Beispielsweise sind mehrkanalige 20-W-Stromversorgungen mit einem
Wirkungsgrad von etwa 90% und einer Leerlaufleistungsaufnahme von unter 30 mW
realisierbar. Sowohl die Netzüberspannungsregelung auch die Überstromschutzfunktion (OCP, Over-Current Protection) haben eine Genauigkeit von ±5%.
Der Einsatz der EP-ICs erfordert einige wenige externe Bauteile, aber keine Optokoppler, die im Laufe der Zeit altern. Der geringe
Spannungsabfall an den Synchrongleichrichter-FETs gewährleistet die präzise Kreuzregelung zwischen den Spannungsausgängen und macht in vielen Fällen nachgeschaltete Linearregler entbehrlich. Anwendungsbereiche sind neben Hausgeräte wie
Mikrowellenherde, Waschmaschinen und
Wäschetrocknern auch Stand-by-Stromversorgungen für PCs/Server, Klimaanlagen,
Fernseher und smarte Vorschaltgeräten für
Leuchten.
// KU
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10970
Faktoren ab, dazu gehören Akkukapazität,
Akkuchemie, Akkufüllstand und Umgebungstemperatur. InnoSwitch-CP mit seinem
Konstantleistungsausgang ermöglicht es, bei
jeder gewählten Ausgangsspannung die maximale Leistung des Ladegeräts voll auszuschöpfen, die Ladezeit zu minimieren und
die Kosten zu reduzieren. Dadurch können
OEMs den Anwendern ihrer Produkte kürzere Ladezeiten und eine entsprechend höhere
Verfügbarkeit bieten, zudem vereinfacht sich
dadurch die Zubehör-Lieferkette.“
Alle Bauteile der CP-Familie besitzen zahlreiche Schutzfunktionen wie Ausgangsüberspannungsschutz (OVP); Ausgangsüberstromschutz (OCP) mit 3-V-Auto-Restart;
Übertemperaturabschaltung mit Hystereverhalten und Eingangsüberspannungsschutz
mit präzisen unteren und oberen Schwellenwerten. Die ICs sind laut Hersteller uneingeschränkt konform mit den einschlägigen
Sicherheits- und regulatorischen Normen,
darunter: 100%-Produktionstest auf HIPOTKonformität (6000 VDC/1 s); verstärkte Isolation; und Isolationsspannungstest bis über
3500 VAC. Es sind zwei ICs erhältlich, die
beide für Universal-Ladegeräte, Netzadapter
und ähnliche Anwendungen vorgesehen
sind: Das INN2214K mit 15W Ausgangsleistung und das größere INN2215K mit bis zu 22
W. Muster sind verfügbar.
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STROMVERSORGUNGEN // WANDLER
Buck-Wandler für intelligente
Feldsensor-Applikationen
Intelligente Feldsensor-Applikationen stellen hohe Anforderungen
an eine Stromversorgung, da die vom Sensor kommenden
Signale möglichst ungestört übertragen werden sollen.
TIMOTHY HEGARTY *
* Timothy Hegarty
... ist Systems Engineer, Non-isolated
Power Solutions, bei Texas Instruments.
48
Alle Bilder: Texas Instruments
D
ie Funktionalität von FeldsensorTransmittern, die in industriellen
Automations- und Steuerungsanlagen zum Messen von Temperaturen, Drücken, Durchflussmengen, Füllständen und
zahlreichen weiteren Prozessgrößen eingesetzt werden, hat viele Dimensionen. Bild 1
zeigt ein Blockschaltbild eines DrucksensorTransmitters. Enthalten sind ein QuarterBridge-Dehnmesstreifen, ein Mikrocontroller
(MCU), ein Datenwandler, ein Eingangsverstärker, ein Ausgangstreiber, Isolatoren, eine
Displayeinheit, Anschlussoptionen und ein
Power-Management-Teil. Bei der Erfassung
von Messgrößen in industriellen Umfeldern
besteht die entscheidende Herausforderung
darin, die vom Sensor kommenden Signale
mit ihren geringen Amplituden in der Gegenwart starker Störungen und hoher Stoßspannungen aufzubereiten [1].
Das Eingangssignal des Drucksensors
muss in eine präzise elektrische Größe verwandelt und anschließend aus dem Feld
über eine robuste Schnittstelle an eine zentrale Steuerungseinheit übertragen werden.
Ein Beispiel für eine solche Schnittstelle ist
die traditionelle zweiadrige 4-20-mA-Stromschleife, die nach wie vor große Beliebtheit
genießt, wenn in industriellen Umgebungen
mit hohem Störaufkommen Signale über
längere Strecken übertragen werden müssen.
Die analoge Schleife kommuniziert einerseits
die erfasste Primärvariable (PV) und versorgt
andererseits die Messwertgeber-Schaltung
mit Strom, sofern dabei die Grenze des minimalen Schleifenstroms nicht überschritten
wird [2].
Während der Mikrocontroller und die Datenwandler einer grundlegenden Messwertgeber-Schaltung in der Regel für geringe
Dicht bestückte Implementierung eines synchronen Buck-Wandlers.
Stromaufnahme optimiert sind (Bild 2), haben die Feature-Ausstattung und die umfangreichere Funktionalität von Hochleistungs-Sensoranwendungen einen höheren
Strombedarf zur Folge. Intelligente Sensorsysteme dieser Art sind möglicherweise nicht
in der Lage, die typischen Bereichsunterschreitungs-Grenzströme oder den Nullpunkt-Strom von 4 mA, wie er von der
4-20-mA-Stromschleife verlangt wird, einzuhalten. Zum Beispiel besitzt ein programmierbarer D/A-Wandler (DAC) und Schleifentreiber wie der DAC161S997 von sich aus einen ERROR_LOW-Grenzstrom von 3,375 mA.
Ströme unterhalb dieses Werts werden zur
Übertragung von Fehlerinformationen zu
Diagnosezwecken verwendet [3].
Um einem über die Stromschleife gespeisten Messwertgeber mehr Leistung zur Verfügung stellen zu können, bietet ein hocheffi-
zienter, geschalteter Hochvolt-Gleichspannungswandler eine eingebaute Stromvervielfachungs-Funktion, die man bei einem
klassischen LDO (Low-Dropout-Linearregler)
vergeblich sucht.
Ein erhöhtes, über den Bereichsuntergrenzen-Alarm von 3,375 mA hinausgehendes
Strombudget gibt den Entwicklern intelligenter Sensorapplikationen den nötigen Freiraum zur Umsetzung neuer Funktionen.
Hierzu werden nachfolgend einige Beispiele
angeführt.
Messwertgeber mit isoliertem
Eingang
Sensor-Messwertgeber mit isoliertem Eingang benötigen eine von der StromschleifenVersorgung galvanisch isolierte Versorgungsspannung zum Speisen des Sensors.
Die Kommunikation des Sensors über die
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STROMVERSORGUNGEN // WANDLER
Hochleistungs-MCUs für
komplexe Berechnungen
Die Linearisierung des Sensorausgangs ist
eine wichtige Funktion zur Einhaltung der
Genauigkeitsvorgaben. In der Regel werden
Hochleistungs-MCUs benötigt, um komplexe
Berechnungen auszuführen und unterschiedliche Grade an Rechenleistung bereitzustellen. Hierdurch eröffnen sich vielfältige
MCU-Optionen beispielsweise in Bezug auf
Taktfrequenz, Speicherausstattung, Konnektivität, Peripherie und Verlustleistungs-Optimierung.
Kalibrierung und erweiterte
Diagnosefunktionen
Statusinformationen, Kalibrierung und
Diagnose lassen den Strombedarf weiter ansteigen. Zum Beispiel beruht die Funktion
des HART-Protokolls darauf, dass dem
Gleichstrom der 4-20-mA-Stromschleife ein
Signal mit einer Amplitude von 1 mA (Peak
to Peak) überlagert wird [4]. Auch die WirelessHART-Adapter, die zum Abrufen und
Übermitteln von Diagnoseinformationen
dienen, ziehen Strom aus der Stromschleife
des leitungsgebundenen Messwertgebers [5].
Erfassung von mehreren
Prozessgrößen
In vielen Anwendungen werden zwei oder
mehr (primäre oder nicht-primäre) Prozessgrößen erfasst [6]. Häufig ist die Primärvariable von einer oder mehreren Sekundärvariablen abhängig. Zum Beispiel erfassen
Massenfluss-Messwertgeber für Erdgas oder
Dampf die Druckdifferenz (die Roh-Durchflussmenge) im Verbund mit dem statischen
Prozessdruck und Temperaturmessungen,
um kompensierte Massenfluss-Werte zu liefern. Die Überwachung nicht-primärer Größen kann von Vorteil sein, wenn eine oder
mehrere der Größen von besonderer Relevanz für die Sicherheit oder Qualität eines
Prozesses sind.
Abgesetztes Display und
Benutzeroberfläche
MesstechnikGrundlagen
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Einige Zweidraht-Messwertgeber können
Informationen anzeigen oder über eine Benutzeroberfläche Eingaben von Bedienern
entgegennehmen. Das abgesetzte Display
und der Messwertgeber können je nach der
Komplexität des Displays zusammen mehr
als 4 mA aufnehmen.
Niederohmige Messbrücken
mit hohen Erregerströmen
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18.03.2014 08: 3: 4
„ Grundlagenbeiträge
„ Fachartikel
Die gängigen Impedanzen der Messbrücken von Dehnungs- und Drucksensoren
liegen zwischen 120 Ω und 10 kΩ. Die
120-Ω-Brücke nimmt bei 5 V Versorgungsspannung einen Strom von 40 mA auf. In
einigen Lösungen werden Widerstände mit
der Messbrücke in Reihe geschaltet, um die
„ Applikationsbeispiele
„ Referenzdesigns
„ Design-Tipps
„ weiterführende
Informationen als
Online-Verlinkung
09861
Isolationsbarriere hinweg erfolgt in der Regel
über eine SPI-Schnittstelle (Serial Peripheral
Interface) und einen Digitalisolator. Sowohl
der Digitalisolator selbst als auch die isolierte Leistungsstufe ziehen allerdings relativ
viel Strom. Darüber hinaus benötigt das System auch einen A/D-Wandler (ADC), einen
Mikrocontroller und einen DAC, die alle aus
dem Strombudget von weniger als 4 mA versorgt werden müssen.
Eine leistungsfähigere Stromquelle ermöglicht auch mehrkanaligen Digitalisolatoren
den Betrieb mit schnelleren digitalen Signalen.
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messtechnik-kompendium
Bild 1: Messwertgeber für einen Dehnmesstreifen-Drucksensor in einer Fabriküberwachungs-Anwendung.
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49
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Bild 2: Hardwarearchitektur eines über die Stromschleife versorgten Temperaturgebers.
Bild 3: Synchroner Buck-Wandler mit geringer Ruhestromaufnahme, ausgestattet mit Eingangsfilter und Schutzschaltung.
Brückenimpedanz zu erhöhen und dadurch
die Stromaufnahme des Sensors zu reduzieren, was auf Kosten der Ausgangsempfindlichkeit des Sensors geht. Die Verfügbarkeit
eines größeren Strombudgets ermöglicht ein
höheres Sensorausgangssignal, sodass das
Analog Front End (AFE) weniger Verstärkung
aufweisen muss.
Versorgung von Sensoren mit
hocheffizienten Buck-Wandlern
Ein synchroner Buck-Wandler muss die
Sensorschaltung zuverlässig mit Strom versorgen, auch wenn nur die minimale Eingangsleistung verfügbar ist und der Messwertgeber mit seiner Compliance-Spannung
von typisch 10 V oder weniger arbeitet. Diese
entspricht der Spannung zwischen den Anschlüssen Loop+ und Loop- (Bild 2). Dementsprechend kommt es auf einen äußerst
hohen Wirkungsgrad in einem Ausgangsstrombereich von 1 bis 20 mA an. Eine Gleichspannungswandler-Lösung mit einem großen Eingangsspannungsbereich bietet großzügigen Freiraum, um außerdem mit Spannungsspitzen auf der Versorgungsspannung
zurechtzukommen, wie sie in den Messverfahren der Norm IEC 61000-4 aufgeführt sind
[7, 8].
Der LM5165 ist ein Beispiel für einen synchronen Buck-Wandler, der auch in Anwendungen mit schwankender Spannung eine
genau geregelte Ausgangsspannung zur Verfügung stellt. Diese monolithische 150 mA
Abwärtswandler-Lösung zeichnet sich durch
einen hohen Wirkungsgrad und eine extrem
geringe Ruhestromaufnahme (IQ) aus. Der
Buck-Wandler weist einen Eingangsspannungsbereich von 20:1 auf, verkraftet widerholte Stoßspannungen von 65 V und ist unempfindlich gegen starke Spannungsausschläge an seinem Eingang. Kritische ist
diese Transienten-Immunität in Sensoranwendungen, in denen hohe Zuverlässigkeit
und erweiterte Produktlebenszyklen zwingend erforderlich sind. Bild 3 zeigt den
Schaltplan eines mit minimalem Bauteileaufwand konfigurierten Wandlers. Zur Ein-
50
Bild 4: Typisches Effizienzverhalten eines Buck-Wandlers.
haltung der Norm IEC 61000-4 wurde ein
Eingangsfilter mit Verpolungs- und Überspannungsschutz hinzugefügt.
Der in einem kompakten, nur 3 mm x 3 mm
großen WSON-10-Gehäuse mit integrierten
Leistungs-MOSFETs angebotene LM5165 ist
äußerst einfach anzuwenden und benötigt
keine Bauelemente zur Kompensation des
Regelkreises. Die Versionen mit fester Ausgangsspannung von 3,3 V oder 5 V erfordern
für den Betrieb lediglich eine Filter-Induktivität und zwei Kondensatoren, und der einstellbare Sollwert lässt sich mit nur zwei
Feedback-Widerständen im 0402-Format
festlegen.
Robuste, zuverlässige BuckWandler-Implementierung
Bild 4 zeigt die Implementierung eines
Wandlers mit hoher Bestückungsdichte. Die
Integration der Feedback-Widerstände bei
den Versionen mit fest eingestellter Ausgangsspannung erlaubt die Verwendung
hoher Widerstandswerte. Diese Integration
senkt die Ruhestromaufnahme ohne ange-
schlossene Last, ohne die Rauscheigenschaften zu beeinträchtigen. Das Design minimiert
die vom System ausgehenden Störungen, da
der hochohmige Widerstandsteiler integriert
ist und beim Layout darauf geachtet wurde,
empfindliche Netze von jeglichen Störquellen im Wandler selbst oder im System abzuschirmen [9].
Eingebaut sind außerdem mehrere Features zur Verbesserung der Zuverlässigkeit
und der Sicherheit. Dazu gehören eine intern
vorgegebene oder von außen einstellbare
Softstartfunktion (SS) für den Ausgang und
eine präzise Enable-Funktion mit individuell
einstellbarer Hysterese für eine programmierbare UVLO-Funktion (Under-Voltage
Lockout). Als weitere eingebaute Features
sind der Übertemperaturschutz mit automatischer Regenerierung und ein als OpenDrain-Anschluss ausgeführter PGOOD-Indikator für das Sequencing und zur Fehlermeldung zu erwähnen. Die zyklusweise Spitzenstrombegrenzung des Bausteins gewährt
einen eingebauten Schutz vor Überlastungen
und Kurzschlüssen am Ausgang. Darüber
ELEKTRONIKPRAXIS Kompendium Power Design & Stromversorgungen September 2016
STROMVERSORGUNGEN // WANDLER
hinaus lässt sich der Baustein ohne Schwierigkeiten für einen niedrigeren Grenzstrom
konfigurieren, sodass in dicht bestückten
Anwendungen, in denen die Ströme geringer
sind, mit kleineren Induktivitäten und Kondensatoren gearbeitet werden kann.
Der präzise Enable-Eingang unterstützt
eine einstellbare UVLO-Funktion mit Hysterese. Letztere lässt sich über den HYS-Anschluss unabhängig programmieren, um
anwendungsspezifischen Power-up- und
Power-down-Anforderungen gerecht zu
werden.
Der EN-Eingang lässt sich mit einem externen Logiksignal ansteuern, um den Ausgang
für das Sequencing im System oder zu
Schutzzwecken ein- oder auszuschalten.
Speziell Sensoranwendungen können davon
profitieren, wenn zwischen VIN und EN ein
Widerstandsteiler eingefügt wird, über den
sich die Ein- und Ausschaltschwellen der
Eingangsspannung präzise festlegen lassen.
Der HYS-Pin wird gemeinsam mit der ENEinstellung genutzt, um die Hysterese der
UVLO-Funktion zu vergrößern und dadurch
zu verhindern, dass die UVLO-Funktion
durch Störungen auf der Schleifenspannung,
durch hohe Quellimpedanzen infolge langer
Leitungen oder durch Einkopplung hoher
Spannungen unter rauen Einsatzbedingungen ungewollt anspricht.
Große Eingangs-Ausgangsspannungsverhältnisse
Zuverlässige Wandler für
vernetzte Messwertgeber
Vor dem Hintergrund des steigenden Bedarfs an intelligent vernetzten Messwertgebern beispielsweise in industriellen Prozesssteuerungs- und Analyseanwendungen, in
der Haus- und Gebäudeautomation, auf dem
Healthcare- und Medizinsektor, im Smart
Metering und in anderen Bereichen eröffnet
die leitungsgebundene und drahtlose Konnektivität ein neues Maß an Skalierbarkeit.
Zuverlässige Buck-Wandler mit einem weiten
Eingangsspannungsbereich, einem hohen
Wirkungsgrad, kleinen Abmessungen und
großer Beständigkeit gegen netzseitige Transienten werden als Stromversorgung für diese Anwendungen immer wichtiger.
Im Kontext dicht bestückter, aus der
4-20-mA-Stromschleife gespeister Sensorknoten ist der Bias-Strom auf maximal 3,6
mA begrenzt. Aus diesem knappen Strom-
budget müssen sämtliche Funktionsabschnitte des Messwertgebers versorgt werden: die Sensorschnittstelle und die Sensorerregung, die Linearisierungsmethode
(MCU), das Überspringen der galvanischen
Isolation (falls erforderlich), der Stromschleifentreiber usw. Bei der hier vorgestellten Lösung handelt es sich um einen integrierten, robusten Buck-Gleichspannungswandler, der sich über einen großen Eingangsspannungs- und Laststrombereich
hinweg durch hohe Effizienz auszeichnet.
Die daraus resultierende kompakte Lösung
ließ sich mit minimalem Designaufwand realisieren.
// TK
Texas Instruments
Literaturhinweise:
[1] Peter Semig, Collin Wells und Miro Oljaca:
„Design tips for a resistive bridge pressure
sensor in industrial process-control systems”,
Texas Instruments Analog Applications Journal,
SLYT640, Q3 2015,
[2] Collin Wells, „2-Wire 4–20mA Sensor Transmitters”, Precision Hub TI blog, 1. März 2015,
[3] NAMUR, No. NE 043, „Standardization of the
Signal Level for the Failure Information of
Digital Transmitters”, Ausgabe 2003-02-03,
[4] “MSP430 HART Protocol + Modem in a Single
Chip Transmitter Reference Design”, TI Designs
TIDM-HRTTRANSMITTER, 2015,
[5] HART Kommunikationsprotokoll,
[6] „Dual Sensor Measurement Using Single
Current-Loop with FSK Modulation Reference
Design”, TI Designs TIDA-00483, 2015,
[7] IEC Available Basic EMC publications, Testing
Techniques/Immunity Tests, Immunity Specifications IEC 61000-4,
[8] „How can I protect these devices against industrial transients?” TI E2E Community, Precision
Data Converters Wiki,
[9] Timothy Hegarty, „High density PCB layout of
DC/DC converters, Part 1”, Power House TI Blog,
11. September 11 2015.
09234
Im Unterschied zu einem Hochvolt-LDO
kommt es bei einem synchronen Buck-Wandler zu keinen großen Verlusten oder erhöhten
Sperrschichttemperaturen, wenn die Differenz zwischen Eingangs- und Ausgangsspannung groß ist. Für zuverlässige Stromversor-
gungs-Lösungen ist es unabdingbar, dass
sich die Sperrschichttemperatur gegenüber
der Umgebungstemperatur nur wenig erhöht.
Ein hoher Wirkungsgrad bei niedriger Ausgangsleistung wird durch die geringe Ruhestromaufnahme sowohl im Sleep-Modus als
auch im aktiven Betrieb erreicht, verbunden
mit Dioden-Emulation und Pulse-Skipping
zur Reduzierung der Schaltaktivität und damit zur Minimierung der Schaltverluste. Dass
das hohe Effizienzniveau auch bei höherer
Ausgangsleistung erhalten bleibt, ist dem
optimierten Schalten der integrierten Leistungs-MOSFETs zu verdanken. Bild 5 zeigt
das relativ flach verlaufende Wirkungsgradprofil im kritischen Bereich mit Lastströmen
zwischen 1 mA und 30 mA.
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STROMVERSORGUNGEN // NETZGERÄTE & NETZTEILE
Wie Sie schnell und sicher zum
optimalen Netzteil kommen
Netzteile arbeiten unauffällig, sind aber unverzichtbar. Bei der Auswahl
eines Netzteils für Ihre Entwicklung sollten Sie auf einen geeigneten
Lieferanten setzen. Wir verraten Ihnen, worauf es dabei ankommt.
N
etzteile arbeiten im Verborgenen –
und sind doch entscheidend für die
Funktion von Endgeräten. Trotzdem
stehen sie bei den Herstellern elektronischer
Produkte nicht oder selten im Fokus der Entwicklungen. Der Grund dafür ist nachvollziehbar: Die Unternehmen konzentrieren
ihre Ressourcen auf ihre Kernkompetenzen
– schließlich differenzieren sie sich darüber
von ihren Wettbewerbern.
Andererseits können auch Eigenschaften
wie hohe Standfestigkeit und langfristige,
stabile Funktion unter schwierigen Bedingungen zum guten Ansehen von Produkten
– und letztlich Herstellern beitragen. Maßgeblichen Anteil daran hat eine genau zu den
jeweiligen Produktanforderungen passende
Stromversorgung. So kann ein Netzteil, das
zuverlässig eine gleichmäßige Versorgungsspannung mit minimaler Restwelligkeit liefert, das Design nachfolgender Schaltungskomponenten erheblich vereinfachen. Richtig ausgewählt, bildet der Strom- und Spannungslieferant das Fundament, auf dem
Entwickler guten Gewissens und erfolgreich
aufsetzen können. Daher sollten Hersteller
elektronischer Güter sich frühzeitig Gedanken über diese so wichtige Systemkomponente machen, einen detaillierten Anforderungskatalog erstellen und einen geeigneten
Netzteillieferanten finden.
Häufig müssen Netzteile ganz spezifische
Anforderungen erfüllen: Mal ist eine tadellose Funktion in rauen Industrieumgebungen gefordert, mal sind es besonders enge
Toleranzgrenzen für die Restwelligkeit in der
Medizintechnik, mal sind spezielle Baugrößen gefragt. Je nachdem, welche Eigenschaften erforderlich sind, kommen Standardnetzteile für den geplanten Einsatz nicht in Frage.
* Hermann Püthe
... ist General Manager und Geschäftsführender Gesellschafter bei
der inpotron Schaltnetzteile GmbH in
Hilzingen.
52
Bilder: inpotron
HERMANN PÜTHE *
Die eigene Prüftechnik im Haus: Aussagekräftige Prüfberichte geben dem Kunden die Gewissheit, dass die
Netzteile seine Vorgaben tatsächlich erfüllen.
Spätestens dann sind Anbieter gefragt, die
Netzteile genau nach den Kundenanforderungen entwickeln und fertigen.
Wie sie einen geeigneten
Netzteil-Lieferanten finden
Was sich auf den ersten Blick als leichtes
Unterfangen präsentiert, zeigt sich bei genauem Hinsehen als komplexes Projekt.
Denn es reicht nicht, lediglich mehrere Anbieter zu finden und ihr Portfolio zu vergleichen. Vielmehr müssen ganz grundlegende
Fragen geklärt werden – zum Beispiel nach
ISO-Zertifizierungen, Qualitätssicherungsund Reporting-Prozessen, Beständigkeit,
Erfahrung, Beratungskompetenz, Transparenz, Zulassungen, Absicherungen und vielen weiteren Kriterien. In der Regel sind Hersteller und Lieferant an einer langfristigen
Partnerschaft interessiert. Grundvoraussetzung dafür ist, dass beide Seiten mit offenen
Karten spielen – nur so kann Vertrauen entstehen. Gerade bei kundenspezifischen Produkten spielt die Kommunikation zwischen
Hersteller und Netzteilproduzent daher eine
entscheidende Rolle. Bereits im Vorfeld lassen sich im Gespräch Systemkosten sparen,
wenn der Netzteilspezialist gut erreichbar ist
und eine fundierte Beratung geben kann.
Hier zeigt sich zudem, ob dieser über eine
hohe Kompetenz im Bereich der Schaltnetzteile verfügt.
Ein weiterer Beleg für sein Knowhow ist
die Qualität seiner Angebote: Diese sollten
detailliert und technisch korrekt sein und
sämtliche Kosten übersichtlich aufführen,
zum Beispiel für die Entwicklung, für Werkzeuge, Zulassungen, Nullserien usw. Eine
ELEKTRONIKPRAXIS Kompendium Power Design & Stromversorgungen September 2016
STROMVERSORGUNGEN // NETZGERÄTE & NETZTEILE
große Produktvielfalt mit aktuellen Innovationen, hohe Fertigungsstückzahlen, namhafte Referenzkunden sowie eine erfolgreiche Unternehmenshistorie sprechen ebenfalls für einen Lieferanten.
Durch Zulassungen und Zertifizierungen
wie REACh (Registration, Evaluation and
Authorisation of Chemicals) oder RoHS 2
(Restriction of Hazardous Substances) untermauert ein Netzteilhersteller seinen eigenen,
hohen Qualitätsanspruch. Er sollte durchgehend DIN EN ISO 9001/14001 zertifiziert sein
und seine Prozesse mit einem übergreifenden Qualitätsmanagementsystem überwachen. Dann können Kunden von durchdachten, aufeinander abgestimmten und dokumentierten Abläufen im Unternehmen ausgehen. Nach Möglichkeit sollte die Fertigung
durch unabhängige dritte Parteien überwacht werden, zum Beispiel UL, CSA, VDE
oder TÜV.
Nur ein erfolgreiches Unternehmen kann
ausreichend investieren und sich auf Zukunftsperspektiven ausrichten. Daher lohnt
ein Blick darauf, wie sich ein Netzteilhersteller in den vergangenen Jahren im Vergleich
zum Wettbewerb entwickelt hat. Ist er solvent
und konnte er mit hoher Innovationskraft
punkten? Nicht zu unterschätzen ist die Bedeutung seiner strategischen Ausrichtung.
Denn die entscheidet darüber, ob der PowerSupply-Anbieter als Partner und Problemlöser auch langfristig zum eigenen Unternehmen passt.
Viele elektronische Produkte, besonders
im professionellen industriellen oder medizinischen Bereich, sind zehn Jahre und mehr
im Einsatz. In solchen langen Zeiträumen
können auch hochwertige Strom- und Spannungslieferanten ausfallen. Ist der ursprüngliche Hersteller insolvent oder kann das
kundenspezifisch entwickelte Produkt dauerhaft nicht mehr liefern, hat der betroffene
Kunde ein Problem. Dafür gilt es rechtzeitig
Vorkehrungen zu treffen. Zum Beispiel durch
einen Vertrag zwischen Netzteilherstellern
und Kunde, der dem Kunden ein Notfertigungsrecht einräumt.
Zu guter Letzt sollten Unternehmen bei der
Auswahl eines Netzteillieferanten darauf
achten, dass dieser eine international gültige, erweiterte Produkthaftungsversicherung
vorweisen kann, die mit einer hohen Deckungssumme ausgestattet ist. Denn Stromversorgungen sind sicherheitsrelevante und
funktionsentscheidende Produkte, die oftmals in hohen Stückzahlen gefertigt werden.
Ein Serienfehler kann z.B. teure Rückrufaktionen nach sich ziehen, die das eigene
Unternehmen gefährden können.
Produktionssicherheit
langfristig planen
Je nach geplantem Einsatz und Vertriebsgebiet des Endproduktes müssen auch die
Netzteile bestimmte Zulassungen wie MIL,
German Lloyd, Bahn oder CCC haben. Die
dafür wichtigen Normen und Richtlinien
muss der Lieferant kennen und bereits in den
Planungs- und Entwicklungsprozess einbeziehen. Hier ist es von Vorteil, wenn der Anbieter bereits Produkte für die Branche vorweisen kann, auf die der Auftraggeber mit
seinen Endprodukten zielt – beispielsweise
für die Medizin-, Mess- oder Informationstechnik.
Eine weitgehend automatisierte Fertigung,
redundante Produktionsmittel, leistungsfähige Prüfprozesse, transparente Lagerhaltung und das Befolgen von IPC-Richtlinien
im gesamten Produktionsprozess zeichnen
gute Hersteller ebenfalls aus. Aussagekräftige Prüfberichte geben dem Kunden schließlich die Gewissheit, dass die Netzteile seine
Vorgaben tatsächlich erfüllen.
Bild: inpotron
Individuelle Lösungen haben
Vorteile – und sind bezahlbar
Blick in die Fertigung: Redundante Produktionsmittel und das Befolgen von IPC-Richtlinien im
gesamten Produktionsprozess zeichnen gute
Hersteller aus.
Kundenspezifisch gefertigte Produkte gelten als teuer. Viele Hersteller von Elektronikprodukten greifen daher in Punkto Stromversorgung lieber zur Standardware. Diese erfüllt jedoch nur selten alle für einen sicheren
Betrieb nötigen Voraussetzungen. Mögliche
Folge können gehäufte Fehlfunktionen und
Ausfälle sein. Davor können sich Unternehmen schützen. Bei richtiger Konzeption rechnet sich eine individuelle Netzteillösung, die
genau auf die Spezifikationen des Endproduktes abgestimmt ist, oft schon ab einem
Volumen von ca. 1000 Stück. Zum konkurrenzfähigen Preis gibt es viele Vorteile gratis
hinzu – etwa hohe Zuverlässigkeit und Einhaltung der Leistungswerte auch unter anspruchsvollen Betriebsbedingungen. // TK
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inpotron
ELEKTRONIKPRAXIS Kompendium Power Design & Stromversorgungen September 2016
53
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STROMVERSORGUNGEN // MESSTECHNIK
Mit Leistungsanalysator und SMU
einen Akku charakterisieren
Ein Leistungsanalysator und eine SMU charakterisieren das Design
eines akkubetriebenen Gerätes. Im folgenden Beitrag zeigen wir eine
Fallstudie, um unter anderem die Akkulaufzeit abzuschätzen.
Bilder: Keysight Technologies
BLAKE VERMEER*
Mit einer programmierbaren Gleichstromlast und einem Leistungsanalysator ist es
kein Problem, eine Impulslast zu programmieren, mit der man die Akkulaufzeit eines
Gerätes bei einer solchen Stromentnahmecharakteristik abschätzen kann. Mit einem
einfachen IVI-Programm kann eine programmierbare Gleichstromlast so eingestellt werden, dass sie kontinuierlich in Impulsen
Strom entnimmt und sich unterhalb einer
Abschaltspannung abschaltet, um den Akku
nicht zu beschädigen. Ein Leistungsanalysator überwacht die Spannung an den Akkuanschlüssen und misst kontinuierlich die
Stromentnahme des Akkus. Die Messdaten
lassen sich auf einen USB-Stick schreiben.
Große Schwankung der Versorgungsspannung
Bild 1: Die Entladekurve eines Akkus bei einem konstanten Entladestrom von 250 mA. Diese wurde mit der
SMU N6784A erzeugt. Anschließend wurde mit dem Leistungsanalysator IntegraVision PA2201A gemessen.
M
obiltelefone, Elektroautos oder den
Strom im smarten Stromnetz speichern: Der Einsatz von Akku-Technik nimmt zu. Ein Entwickler von akkubetriebenen Geräten muss in der Lage sein, die
Akkuleistung in seinem Design zu charakterisieren. Dabei werden sie von Präzisionsleistungsanalysatoren und programmierbaren
bidirektionalen DC-Stromversorgungen unterstützt, um schnell einen Einblick in das
Design zu bekommen.
Von Akkulaufzeit, Entladekurve
und Innenwiderstand
Im folgenden Text geht es um eine Fallstudie, in der ein Leistungsanalysator und eine
Source Measure Unit (SMU) eingesetzt werden, um die Akkulaufzeit abzuschätzen so* Blake Vermeer
... ist R&D Firmware Engineer bei Keysight Technologies.
54
wie die Entladekurve und den Innenwiderstand eines Akkus zu messen. Bei einem
akkubetriebenen Gerät ist eine wesentliche
Frage, wie lang das Gerät mit einer Akkuladung auskommt. Die Antwort auf diese Frage
ist nicht ganz einfach, weil die Akkulaufzeit
von verschiedenen Faktoren abhängt. Zuerst
sollte man einen Blick auf das Datenblatt des
Akkus werfen. Dort finden sich Entladekurven bei verschiedenen konstanten Entladeströmen. Kennt man den durchschnittlichen
Stromverbrauch des Geräts und seine Abschaltspannung, kann man anhand einer
solchen Entladekurve die mögliche Akkulaufzeit des Geräts abschätzen. Ein gewisses
Problem stellt allerdings die Tatsache dar,
dass die meisten Geräte keinen gleichbleibenden Stromverbrauch aufweisen. Das gilt
besonders für Mobiltelefone, da diese permanent Daten senden und empfangen. Einen
solchen Gerätetyp modelliert man besser als
eine Impulslast anstatt einer Dauerlast.
Die Bilder 1 und 2 wurden beide mit dem
gleichen Testaufbau und dem gleichen Akku
ermittelt. Im zeitlichen Mittel beträgt der
durchschnittliche Strom 250 mA. Vergleicht
man die Bilder 1 und 2 so wird deutlich, dass
mit der Impulslast der Akku 45 Minuten früher leer ist als mit der konstanten Last. Auch
schwankte die Klemmenspannung des Akkus infolge des Innenwiderstands während
der impulsartigen Entladung erheblich. Der
Hardware-Entwickler muss diese große
Schwankung der Versorgungsspannung bei
der Konstruktion unbedingt berücksichtigen: Alle gewählten Bauteile müssen auch
bei der niedrigsten Versorgungsspannung
des Entladezyklus noch korrekt funktionieren.
Jeder Akku verfügt über einen Innenwiderstand. Dieser Innenwiderstand begrenzt den
maximalen Strom, den der Akku liefern
kann. An diesem Widerstand fällt eine Spannung ab und dieser ist auch dafür verantwortlich, dass sich der Akkus während des
Betriebs erwärmt. Man stellt sich einen Akku
am einfachsten als Serienschaltung einer
idealen Spannungsquelle mit einem Widerstand vor. Mit diesem einfachen Modell im
ELEKTRONIKPRAXIS Kompendium Power Design & Stromversorgungen September 2016
STROMVERSORGUNGEN // MESSTECHNIK
Hinterkopf kann man ein Verfahren zur Messung des Innenwiderstands eines Akkus
entwickeln. Wenn man dem Akku einen Stromimpuls bekannter Größe entnimmt und
dabei die Änderung der Klemmenspannung
misst, ergibt sich der Wert des Innenwiderstands aus dem Quotienten der Spannungsänderung dividiert durch den entnommenen
Strom. Diese Messdaten sammelt der Leistungsanalysator bei jeder Stromimpulsentnahme. Der Innenwiderstand des untersuchten Akkus beträgt etwa 180 mΩ. Dieser Wert
ändert sich allerdings während der Entladung des Akkus.
Durch den verstärkten Einsatz von AkkuTechnik muss man beim Design von Geräten
auch verstehen, wie die Charakteristik dieser
Stromlieferanten ist. Leistungsanalysatoren
und programmierbare Gleichstromlasten
unterstützen den Anwender dabei, einen
Einblick in diese Charakteristik zu gewinnen.
// HEH
Bild 2: Die Akkuentladekurve mit einer Impulslast. Erzeugt wurde die Impulslast mit der SMU N6784A, die
Akkuspannung wurde mit einem Leistungsanalysator Keysight PA2201A gemessen.
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VERANSTALTER
STROMVERSORGUNGEN // PHOTOVOLTAIK
So schützen Sie PV-Anlagen vor
Blitz und Überspannungen
Viele in Reihe geschaltete PV-Module sind wirtschaftlich.
Allerdings müssen die Überspannungsschutzsysteme in der
Anlage auch für diese höheren Spannungen ausgelegt sein.
ANDREAS SCHAMBER *
W
Zuverlässige Komponenten
schützen Freiflächenanlagen
Große Freiflächenanlagen oder nachgeführte PV-Systeme sind heute vorrangig Renditeobjekte – maximale Ausbeute und hohe
Zinserträge sind auch hier oberstes Ziel. Hohe Anlagenverfügbarkeit und geringere Ausfallquoten ermöglichen den wirtschaftlichen
Betrieb der PV-Anlage. Dies ist aber nur mit
zuverlässigen Komponenten und aufeinander abgestimmten Systemen möglich – auch
der Blitzstrom- und Überspannungsschutz
ist hier integraler Bestandteil.
Die PV-Systeme sind oft im freien Feld installiert. Dort bieten sie eine große Angriffsfläche für Blitzeinschläge, die ohne zuverlässigen Blitzstrom- und Überspannungsschutz
oft zahlreiche Schäden hinterlassen. In vielen
Regionen sind direkte Blitzeinwirkungen
* Andreas Schamber
... ist Produktmanager Power Protection bei der Phoenix Contact GmbH &
Co. KG in Blomberg.
56
Bilder: Phoenix Contact
enn die Fördermittel für die Solarenergie drastisch reduziert werden, müssen die Anlagekosten
dementsprechend sinken – nur dann bleibt
die Rendite tragbar. Eine Erhöhung der Spannung auf bis zu 1500 VDC ist hier ein gangbarer Weg – dazu werden mehrere PV-Module
zu einem String geschaltet. Dann müssen
aber auch alle Komponenten für diese Spannungen ausgelegt sein – wie die neuen Blitzund Überspannungsschutzgeräte vom Typ
VAL-MB (Bild rechts).
Denn durch weniger Generatoranschlusskästen und durch einen geringen Verkabelungsaufwand lassen sich die BOS-Kosten
(Balance of System) erheblich reduzieren.
Davon profitieren auch die Wechselrichterhersteller. Mit einer Systemspannung von
1500 Volt kann die Leistung der Wechselrichter um bis zu 20% erhöht werden.
PV-Anlagen wirkungsvoll schützen: mit Komponenten für den Blitz- und
Überspannungsschutz.
zwar selten, sie sind aber energiereich und
verursachen meist größere Schäden. Bis zu
einer Entfernung von 5 km hinterlassen sie
ihre Spuren.
Die entstehenden Überspannungen haben
folgende Ursachen:
„ direkte Blitzeinschläge in die PV-Anlage
oder in die Überlandleitung,
„ indirekte Blitzeinwirkungen durch Erdrückkopplung oder elektromagnetische
Induktion.
Spannungserhöhungen von
mehreren Tausend Volt
Außerdem bewirken Blitzeinschläge am
Einschlagsort Spannungserhöhungen von
mehreren Tausend Volt. Je nach Bodenbeschaffenheit nimmt die Spannungserhöhung
mit der Entfernung zum Einschlagsort exponentiell ab. Schlägt beispielsweise ein Blitz
direkt in ein PV-Modul oder in eine metallische Konstruktion, wird das Erdpotenzial
angehoben. Wird die Isolationsfestigkeit der
Komponenten überschritten, schlägt die Isolation an der schwächsten Stelle über. Ob am
elektronischen Gerät, am Wechselrichter, an
der Versorgungsleitung oder am Generatoranschlusskasten die Isolation beschädigt ist,
kann meist erst bei der routinemäßigen Prüfung feststellt werden. Bei Isolationsfehlern
besteht Gefahr für Leib und Leben, und im
schlimmsten Fall kann es beim Berühren metallischer Teile zum Stromschlag kommen.
Kapazitive oder induktive Einkopplungen
Auch durch kapazitive oder induktive Einkopplung in der Versorgungsleitung können
Überspannungen entstehen – verantwortlich
dafür ist der fließende Blitzstrom zur Erde.
So erzeugt beispielsweise der Stromfluss ein
elektromagnetisches Feld um sich herum,
das wiederum Überspannungen in die parallel verlaufende Versorgungsleitung induziert
ELEKTRONIKPRAXIS Kompendium Power Design & Stromversorgungen September 2016
ENT WICKLUNG & AUSWAHL
VON STROMVERSORGUNGEN
STROMVERSORGUNGEN // PHOTOVOLTAIK
PROGRAMMAUSZUG
unnötige Investitionen und Reparaturkosten
werden so vermieden. Die passenden Blitzschutzkomponenten und Überspannungsschutzgeräte sind Teil des Produktprogramms
von Phoenix Contact.
Bild 1: Integrierte Schutzkomponenten im Generatoranschlusskasten für PV-Anlagen
und die sensiblen Elektronikkomponenten
beschädigt.
Ein weiteres Phänomen entsteht aufgrund
von Schalthandlungen aus dem Verteilnetz,
die im Netz Überspannungen bis zu mehreren
Kilovolt erzeugen können. In Vergleich zu
Blitzeinschlägen treten diese transienten
Überspannungen deutlich häufiger auf – und
sind dafür meist von geringerer Energiedichte und Dauer. Dennoch können sie einzelne
Elektronikkomponenten in Abhängigkeit von
der Isolationsfestigkeit und Belastbarkeit
vorschädigen oder gar zerstören.
Ursachen transienter
Überspannungen
Diese transienten Überspannungen können mehrere Ursachen haben:
„ Ein- und Ausschaltvorgänge von nahegelegenen elektrischen Geräten und Großanlagen,
„ Erd- und Kurzschlüsse im Wechselstromnetz,
„ Auslösen der Sicherungen,
„ Ader-Ader-Störung aus Mittel- oder Hochspannungsnetzen.
Freiflächenanlagen oder nachgeführte PVSysteme sind häufig mittels Überlandleitungen an die Verteilernetzte angebunden. Diese
Leitungen überbrücken oft lange Distanzen.
Teilweise gelangen die Spannungsimpulse
bei Ader-Ader-Störungen aus dem Hoch- und
Mittelspannungsnetz zu den PV-Systemen,
dabei beschleunigen diese Spannungsimpulse das Altern von Komponenten im Wechselrichter. Auch andere Effekte wie Schaltvorgänge von Großanlagen oder nicht vorhersehbare Erd- und Kurzschlüsse im Wechselstromnetz
sorgen
dafür,
dass
Überspannungen zu empfindlichen elektronischen Komponenten gelangen und diese
überlasten.
Mithilfe eines umfassenden Blitzstromund Überspannungsschutzkonzeptes werden
die Freiflächenanlagen vor frühzeitigen Ausfällen auf der DC- und AC-Seite geschützt –
Durch ihre Dimension und durch ihre Ausrichtung zur Sonne haben Freifeldanlagen
und nachgeführte PV-Systeme einen hohen
Wirkungsgrad und erzielen daher hohe Erträge. Um die Anlagen vor direkten und indirekten Blitzeinwirkungen zu schützen, sind
folgende Schutzmaßnahmen sinnvoll:
„ Äußeres Blitzschutzsystem,
„ Einhalten eines erforderlichen Trennungsabstandes zwischen der äußeren
Blitzschutzanlage und den Komponenten
der PV-Anlage,
„ Erdung und Potenzialausgleich an Generatoranschlusskästen an der DC-Seite, an
Wechselrichtern an der DC- und AC-Seite
sowie an allen eingehenden und abgehenden Leitungen,
„ Überspannungsschutzgeräte in Generatoranschlusskästen für die DC-Seite, in
Wechselrichterstationen für die DC- und
AC-Seite sowie für sämtliche Daten- und
Kommunikationseinheiten.
Mithilfe eines Blitzkugelmodells wird das
erforderliche äußere Blitzschutzkonzept erstellt. Dabei ist zu beachten, dass alle PVModule innerhalb des Schutzbereichs liegen
und der erforderliche Abstand zur äußeren
Blitzschutzeinrichtung eingehalten wird. Dadurch kann ein direkter Blitzeinschlag sowie
Überschläge zu den metallischen Teilen aufgrund von Spannungsdifferenzen vermieden
werden. Außerdem müssen alle metallischen
Bauteile elektrisch leitend miteinander verbunden werden, um Spannungsunterschiede
zwischen den einzelnen Modulfeldern zu
vermeiden. Mithilfe von Generatoranschlusskästen und Wechselrichtern mit Blitzstromund Überspannungsschutzgeräten können
alle Komponenten einer Freifeldanlage DCund AC-seitig sowie die Daten- und Kommunikationseinheiten gegen Überspannungen
geschützt werden (Bild 1).
In der aktuellen Installationsrichtlinie
CLC/TS 50539-12 sind zahlreiche Empfehlungen für die Installation von Blitzstrom- und
Überspannungsschutzgeräten beschrieben.
Unter anderen wird dort die Leistungsfähigkeit von Schutzgeräten für Freiflächenanlagen, aber auch für die Gebäudeinstallation
empfohlen. Für den sicheren Betrieb und die
Langzeitverfügbarkeit eines PV-Systems werden Überspannungsschutz-Einrichtungen
empfohlen, die entsprechend der Norm
ELEKTRONIKPRAXIS Kompendium Power Design & Stromversorgungen September 2016
11226
„Rundum-Schutz“ vor
Blitzeinwirkungen
a EMV von Stromversorgungen – Problemstellungen
und Wechselwirkunken im
System trotz zertifizierter
Komponenten
a Wie lange lebt meine Stromversorgung tatsächlich?
a Negativer Eingangswiderstand von SNTs – eine
selten erkannte Falle
2 5 ./2 6 .10 . 2 016, VCC, Wür zburg
Themenschwerpunkte
• 25. Oktober Entwicklung
von Stromversorgungen
• 26. Oktober Auswahl
von Stromversorgungen
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57
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STROMVERSORGUNGEN // PHOTOVOLTAIK
EN 50539-11 für Überspannungsschutzgeräte
für den Einsatz in PV-Installationen entwickelt wurden. Mit dem Approbationszeichen
werden Qualität und Sicherheit des Produkts
von einem unabhängigen Prüfinstitut bestätigt.
Die Anforderungen an die
Schutzgeräte steigen ständig
Zudem wachsen die Anforderungen an die
Schutzgeräte – etwa beim Einsatz in höher
gelegenen Einsatzorten bis über 4000 m. Für
diese Höhenlagen müssen bei der Produktentwicklung die erforderlichen Luft- und
Kriechstrecken berücksichtigt werden.
Phoenix Contact bietet speziell für die Anforderungen auf der DC-Seite einer PV-Anlage
abgestimmte Blitzstrom- und Überspannungsschutzgeräte Typ 1/2 für jeweils 600
und 1500 VDC oder Typ 2 für 1500 VDC an. Die
neue Produktfamilie VAL-MB hat eine hohe
Leistungsfähigkeit mit einem Gesamtableitvermögen Itotal (10/350 µs) von 12,5 kA und
hoher Dauerspannung bis zu 1500 VDC. Dank
Bild 2: Die neuen Blitzstrom- und Überspannungsschutzgeräte Typ 1/2 für jeweils 600 und 1500
VDC und Typ 2 für 1500 VDC von Phoenix Contact
wurden für Marktanforderungen im oberen Bereich
konzipiert.
niedrigerem Schutzpegel werden PV-Systeme
damit optimal geschützt. Zusätzlich bietet die
neue Produktfamilie zahlreiche Vorteile bei
der Handhabung. Dank doppelter PE-Anschlußklemme ist es möglich, die innere PEVerdrahtung direkt mit dem Schutzmodul zu
Bild 3: Ein wirkungsvoller Blitzstrom- und
Überspannungsschutz
für Daten- und Kommunikationseinheiten erfolgt
am Wechselrichter oder
im Generatoranschlusskasten.
verbinden und eine PE-Klemme sowie Platz
im Gerät einzusparen. Darüber hinaus erfüllt
die neue Produktfamilie die aktuelle Norm
EN 50539-11 sowie die Installationsrichtlinie
CLC/TS 50539-12 für die Blitzschutzklassen
III und IV vollständig (Bild 2).
Angesichts empfindlicher elektronischer
Komponenten – etwa Monitoring-Systeme,
die vermehrt auch in Generatoranschlusskästen eingebaut werden – muss auch hier über
einen ausreichenden Schutz für Daten- und
Kommunikationseinheiten gesorgt werden.
Auch im Wechselrichter und anderen Feldeinheiten, wie Wetterstation oder Array-Sammelboxen, sollte auf einen wirksamen Blitzstrom- und Überspannungsschutz nicht
verzichtet werden (Bild 3).
Fachgerechte Installation von
Überspannungsschutzgeräten
Für Freiflächenanlagen ist die fachgerechte Installation von Blitz- und Überspannungsschutzgeräten unter Einhaltung der aktuellen
Normen und Vorschriften unbedingt erforderlich. Für den sicheren Betrieb einer PVAnlage müssen bereits während der Planungsphase Blitz- und Überspannungsschutz-Komponenten berücksichtigt werden.
Für jeden Anwendungsbereich vom Modul
bis zum Wechselrichter auf der Gleichspannungsseite oder vom Wechselrichter bis zum
Netz gibt es Blitzstrom- und Überspannungsschutzgeräte aus einem Guss. Ein besonderes
Augenmerk gilt dabei der empfindlichen
Elektronik, die zunehmend in PV-Systemen
eingesetzt wird. Denn diese Elektronik sorgt
dafür, dass ein Ausfall der PV-Anlage schnell
erkannt wird.
// TK
Phoenix Contact
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